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Optocoupleurs et leur application

Introduction

Histoire

L'idée de créer et d'utiliser des optocoupleurs remonte à 1955, lorsque Loebner EE "Optoelectronic devices network" a proposé toute une série de dispositifs à connexions optiques et électriques entre les éléments, permettant l'amplification et la conversion spectrale des signaux lumineux. - optocoupleurs bistables, dispositifs optoélectroniques pour l'accumulation et le stockage d'informations, circuits logiques, registres à décalage. Elle a également proposé le terme "optocoupleur", utilisé comme abréviation de l'anglais "optical-device device".

Les optocoupleurs décrits dans ce travail, illustrant parfaitement les principes, se sont révélés impropres à la mise en œuvre industrielle, car ils reposaient sur des condensateurs électroluminescents (émetteurs) et des photorésistances élémentaires (émetteurs) élémentaires, inefficaces et inertes. Les caractéristiques opérationnelles les plus importantes des instruments étaient également incomplètes: basse température et stabilité temporaire des paramètres, résistance insuffisante aux influences mécaniques. Donc Au début, l'optocoupleur ne restait qu'une réalisation scientifique intéressante qui ne trouvait pas son utilité en ingénierie.

Ce n'est qu'au milieu des années 1960 que le développement de diodes électroluminescentes à semi-conducteurs et de photodétecteurs à action rapide à haute efficacité technologiquement avancés avec jonctions pn (photodiodes et phototransistors) ont commencé à créer une base élémentaire de technologie optronique moderne. Au début des années 70, la production d’optocoupleurs dans les principaux pays du monde était devenue une branche importante et en plein développement de la technologie électronique, complétant avec succès la microélectronique traditionnelle.

Définitions de base

Les optocoupleurs sont des dispositifs optoélectroniques dans lesquels il existe une source et un récepteur de rayonnement (émetteur de lumière et photodétecteur) avec une sorte de connexion optique et électrique entre eux, structurellement liés les uns aux autres.

Le principe de fonctionnement des optocoupleurs de tout type repose sur les éléments suivants. Dans le radiateur, l'énergie du signal électrique est convertie en lumière, dans le photodétecteur, au contraire, le signal lumineux provoque une réponse électrique.

En pratique, seuls les optocoupleurs ont reçu une propagation, qui ont une connexion optique directe de l'émetteur au photodétecteur et, en règle générale, tous les types de connexion électrique entre ces éléments sont exclus.

Selon le degré de complexité du diagramme structurel, deux groupes d'instruments se distinguent parmi les produits des optocoupleurs. L'optocoupleur (également appelé "optocoupleur élémentaire") est un dispositif semi-conducteur optoélectronique constitué d'éléments rayonnants et photodétecteurs, entre lesquels se trouve une connexion optique assurant une isolation électrique entre l'entrée et la sortie. Le microcircuit intégré optoélectronique est un microcircuit constitué d'un ou plusieurs optocoupleurs et d'un ou plusieurs dispositifs d'adaptation ou d'amplification connectés électriquement à eux.

Ainsi, dans un circuit électronique, un tel dispositif remplit la fonction d'un élément de communication dans lequel, simultanément, une isolation électrique (galvanique) de l'entrée et de la sortie est effectuée.

Particularités des optocoupleurs

Les avantages de ces dispositifs sont basés sur le principe optoélectronique commun consistant à utiliser des photons électriquement neutres pour le transfert d'informations. Les principaux sont:

  • la possibilité de fournir un découplage électrique (galvanique) idéal entre l'entrée et la sortie; pour les optocoupleurs, il n'y a pas de limitations physiques ou constructives fondamentales pour obtenir des tensions arbitrairement élevées et une résistance au découplage et à un débit arbitrairement faible;
  • la possibilité de mettre en œuvre un contrôle optique sans contact des objets électroniques et la diversité et la flexibilité résultantes des solutions de conception pour les circuits de commande;
  • unidirectionnalité de la propagation de l'information à travers le canal optique, absence de réponse réciproque du récepteur au radiateur;
  • une large bande passante de fréquence de l'optocoupleur, aucune limitation du côté basse fréquence (ce qui est typique des transformateurs d'impulsions); la possibilité de transmission le long du circuit optocoupleur, à la fois un signal d'impulsion et une composante constante;
  • la possibilité de contrôler le signal de sortie de l'optocoupleur en agissant (y compris non électrique) sur le matériau du canal optique et la possibilité qui en résulte de créer divers capteurs, ainsi que divers dispositifs de transmission d'informations;
  • la possibilité de créer des dispositifs microélectroniques fonctionnels avec des photodétecteurs dont les caractéristiques sous illumination varient selon une loi complexe prédéterminée;
  • l'immunité des canaux de communication optiques vis-à-vis des champs électromagnétiques qui, dans le cas des optocoupleurs "longs" (avec un guide optique étendu entre le radiateur et le récepteur), les rendent insensibles aux interférences et aux fuites d'informations,
  • compatibilité physique et structurelle-technologique avec d'autres dispositifs à semi-conducteurs et microélectroniques.

Les optocoupleurs présentent également certains inconvénients:

  • consommation d'énergie importante en raison de la nécessité d'une double conversion d'énergie (électricité - lumière - électricité) et d'une faible efficacité de ces transitions;
  • sensibilité accrue des paramètres et des caractéristiques aux effets des rayonnements nucléaires pénétrants et à haute température;
  • dégradation temporaire plus ou moins marquée (détérioration) des paramètres;
  • un niveau de bruit intrinsèque relativement élevé, dû, comme pour les deux inconvénients précédents, aux particularités de la physique des diodes électroluminescentes;
  • la complexité de la réalisation du retour provoquée par la déconnexion électrique des circuits d'entrée et de sortie;
  • les imperfections structurelles et technologiques associées à l'utilisation de la technologie hybride non planaire (avec la nécessité de combiner plusieurs cristaux distincts provenant de divers semi-conducteurs situés dans des plans différents).

Les lacunes énumérées dans les optocoupleurs avec l’amélioration des matériaux, de la technologie et des circuits sont partiellement éliminées, mais resteront néanmoins longtemps de nature fondamentale. Cependant, leur dignité est telle qu’elle garantit une non-compétitivité des optocoupleurs parmi d’autres dispositifs microélectroniques.

Schéma structurel généralisé

En tant qu'élément de communication, l'optocoupleur se caractérise par un coefficient de transmission K i déterminé par le rapport des signaux de sortie et d'entrée et par le débit de transfert maximal F. En pratique, au lieu de F, les temps de montée et de descente sont mesurés. Les capacités de l'optocoupleur en tant qu'élément d'isolation galvanique sont caractérisées par la tension et la résistance maximales du découplage U razv et R razv et de la capacité de débit C razv .

Dans le schéma structurel de la Fig. 1 dispositif d'entrée permet d'optimiser le mode de fonctionnement de l'émetteur (par exemple, le décalage de la LED vers la partie linéaire de la caractéristique watt-ampère) et la conversion (amplification) du signal externe. L'unité d'entrée doit avoir un rendement de conversion élevé, une vitesse élevée, une large plage dynamique de courants d'entrée admissibles (pour les systèmes linéaires), une valeur faible du courant d'entrée "seuil", garantissant un transfert d'informations fiable dans le circuit.

Structure généralisée de l'optocoupleur

Figure 1. Structure généralisée de l’optocoupleur

Le support optique a pour but de transférer l'énergie du signal optique provenant de l'émetteur vers le photodétecteur et, dans de nombreux cas, d'assurer l'intégrité mécanique de la structure.

La possibilité principale de contrôler les propriétés optiques d’un support, par exemple en utilisant des effets électro-optiques ou magnéto-optiques, se traduit par l’introduction d’un dispositif de contrôle dans le circuit: on obtient un optocoupleur à canal optique contrôlé, différent fonctionnellement de l’optocoupleur "ordinaire". circuit d'entrée et de contrôle.

Dans le photorécepteur, le signal d'information est "récupéré" du signal optique au signal électrique; tout en s'efforçant d'avoir une sensibilité élevée et une vitesse élevée.

Enfin, le dispositif de sortie est conçu pour convertir le signal du photodétecteur en une forme standard, ce qui est pratique pour influencer les cascades suivantes de l’optocoupleur. Une fonction pratiquement obligatoire du périphérique de sortie est l'amplification du signal, car les pertes après double conversion sont très importantes. Souvent, le photorécepteur exécute la fonction d'amplification (par exemple, un phototransistor).

Le schéma fonctionnel général de la Fig. 1 est réalisé dans chaque périphérique spécifique par une partie seulement des blocs. Conformément à cela, trois groupes principaux de dispositifs optroniques sont distingués; dénommés précédemment optocoupleurs (optocoupleurs élémentaires), utilisant une unité émettrice de lumière - support optique - photodétecteur; microcircuits optoélectroniques (optocoupleurs) (optocoupleurs avec ajout d'une sortie et parfois d'un dispositif d'entrée); types spéciaux d’optocoupleurs - les dispositifs fonctionnellement et structurellement très différents des optocoupleurs élémentaires et des CI optoélectroniques.

Un véritable optocoupleur peut être arrangé et plus compliqué que le circuit de la Fig. 1; chacun desdits blocs peut comporter non pas un mais plusieurs éléments identiques ou similaires reliés électriquement et optiquement, mais cela ne modifie pas de manière significative les principes fondamentaux de la physique et de l'électronique optroniques.

Application

En tant qu'éléments d'isolation optoélectronique, des optocoupleurs sont utilisés: pour connecter des blocs d'équipement, entre lesquels il existe une différence de potentiel significative; pour protéger les circuits d'entrée des appareils de mesure des interférences et des interférences, etc.

Un autre domaine important d'application des optocoupleurs est le contrôle optique, sans contact, des circuits à courant fort et à haute tension. Démarrage de thyristors puissants, triacs, triacs, contrôle de dispositifs à relais électromécaniques.

Un groupe spécifique d’optocoupleurs de commande sont des optocoupleurs à résistance, conçus pour des circuits de commutation à faible courant dans des dispositifs complexes pour l’affichage visuel des informations effectuées sur des indicateurs électroluminescents (en poudre), des schémas synoptiques, des écrans.

La création d’optocoupleurs «longs» (dispositifs avec un guide optique flexible à fibre optique étendu) a ouvert une toute nouvelle direction d’application des produits de la technologie optronique - la communication sur de courtes distances.

Différents optocoupleurs (diodes, résistances, transistors) trouvent leur application dans les schémas de modulation, de contrôle automatique de gain, etc., purement radioélectriques. L'effet sur le canal optique est utilisé ici pour délivrer le circuit au mode de fonctionnement optimal,

La possibilité de modifier les propriétés d'un canal optique sous diverses influences externes permet de créer toute une série d'optocoupleurs: capteurs d'humidité et de gaz, capteur de présence de liquide dans le volume, capteurs de pureté de surface, vitesse de déplacement,

Il est plutôt spécifique d'utiliser des optocoupleurs à des fins énergétiques, c'est-à-dire le fonctionnement de l'optocoupleur à diode dans le mode de photovision. Dans ce mode, la photodiode génère de l'énergie électrique dans la charge et l'optocoupleur est dans une certaine mesure similaire à une source d'alimentation secondaire de faible puissance complètement découplée du circuit primaire.

La création d’optocoupleurs à photorésistances, dont les propriétés sous illumination varient selon une loi complexe donnée, permet de modéliser des fonctions mathématiques, est une étape vers la création de l’optoélectronique fonctionnelle.

L’universalité des optocoupleurs en tant qu’éléments d’isolation galvanique et de contrôle sans contact, la diversité et le caractère unique de nombreuses fonctions sont les domaines d’application de l’informatique, de l’automatisation, des équipements de communication et radio, des systèmes de contrôle automatisés, , dispositifs d'affichage visuel d'informations.

Base physique des optocoupleurs

Elément de base et dispositif d'optocoupleurs

La base élémentaire des optocoupleurs est constituée de photodétecteurs et de radiateurs, ainsi que du support optique entre eux. Tous ces éléments sont soumis à des exigences générales telles que la petite taille et le poids, la durabilité et la fiabilité élevées, la résistance aux influences mécaniques et climatiques, la facilité de fabrication et le faible coût. Il est également souhaitable que les éléments soient une approbation industrielle suffisamment large et à long terme.

Fonctionnellement (en tant qu'élément du circuit), l'optocoupleur se caractérise principalement par le type de photodétecteur dans lequel il est utilisé.

L'utilisation réussie d'un photodétecteur dans un optocoupleur est déterminée par le respect des exigences de base suivantes: l'efficacité de la conversion de l'énergie des quanta de rayonnement en énergie électrique mobile; la présence et l'efficacité de l'amplification interne intégrée; haute vitesse l'étendue de la fonctionnalité.

Dans les optocoupleurs, on utilise des photodétecteurs de différentes structures sensibles dans les régions visible et proche infrarouge, puisque c'est dans cette gamme spectrale que se trouvent des sources de rayonnements intenses et que les photodétecteurs peuvent fonctionner sans refroidissement.

Les plus universels sont les photodétecteurs à jonctions pn (diodes, transistors, etc.), dans la très grande majorité des cas, ils sont réalisés à base de silicium et la région de leur sensibilité spectrale maximale est proche de l = 0,7 ... 0,9 μm .

De nombreuses exigences sont également imposées aux radiateurs des optocoupleurs. Les principaux sont: adaptation spectrale avec le photodétecteur sélectionné; haute efficacité de conversion de l'énergie du courant électrique en énergie de rayonnement; direction de rayonnement préférentielle; haute vitesse la simplicité et la commodité de l'excitation et de la modulation du rayonnement.

Pour les optocoupleurs, plusieurs types de radiateurs conviennent et sont disponibles:

  • Ampoules à incandescence miniatures.
  • Ampoules au néon , qui utilisent la décharge électrique d’un mélange de gaz néon-argon.
    Ces types de radiateurs se caractérisent par un faible rendement lumineux, une faible résistance aux influences mécaniques, une durabilité limitée, de grandes dimensions, une incompatibilité totale avec la technologie intégrée. Néanmoins, dans certains types d’optocoupleurs, ils peuvent être utilisés.
  • La cellule électroluminescente en poudre utilise comme corps lumineux de fins grains cristallins de sulfure de zinc (activés par du cuivre, du manganèse ou d'autres additifs) en suspension dans un diélectrique polymérisable. Lorsque des tensions AC suffisamment élevées sont appliquées, le processus de luminescence préalable à la panne se poursuit.
  • Cellules électroluminescentes à couche mince . La lueur est due à l'excitation des atomes de manganèse par des électrons "chauds".

Les cellules électroluminescentes à poudre et à film ont une faible efficacité de conversion de l'énergie électrique en lumière, une faible durabilité (films minces notamment), sont difficiles à contrôler (par exemple, le régime optimal pour les phosphores poudreux est ~ 220 V à f = 400 ... Le principal avantage de ces radiateurs est la compatibilité constructive et technologique avec les photorésistances, la possibilité de créer sur cette base des structures optroniques multi-éléments et multi-éléments.

Le principal type de radiateur le plus universel utilisé dans les optocoupleurs est une diode électroluminescente (DEL) à injection de semi-conducteurs. Cela est dû aux avantages suivants: rendement élevé de conversion de l’énergie électrique en énergie optique; spectre d'émission étroit (quasi-monochromaticité); la latitude de la gamme spectrale recouverte par différentes LED; La directivité du rayonnement; haute vitesse faibles valeurs des tensions et des courants d'alimentation; compatibilité avec les transistors et les circuits intégrés; la simplicité de la modulation de la puissance de rayonnement en modifiant le courant direct; la capacité de travailler en mode pulsé et continu; linéarité de la caractéristique watt-ampère dans une gamme plus ou moins large de courants d'entrée; haute fiabilité et durabilité; petite taille Compatibilité technologique avec les produits de la microélectronique.

Les exigences générales pour le milieu d'immersion optique d'un optocoupleur sont les suivantes: indice de réfraction élevé n im ; valeur élevée de la résistivité r im ; intensité de champ critique élevée E im kp , résistance thermique suffisante Dq im slave ; bonne adhérence avec des cristaux de silicium et d'arséniure de gallium; élasticité (cela est nécessaire car il n'est pas possible d'aligner les éléments de l'optocoupleur avec les coefficients de dilatation thermique); résistance mécanique, puisque le milieu d'immersion dans l'optocouple remplit non seulement des fonctions de transmission de la lumière, mais également des fonctions structurelles; possibilité de fabrication (facilité d'utilisation, reproductibilité des propriétés, coût réduit, etc.).

Le principal type de milieu d'immersion utilisé dans les optocoupleurs est les adhésifs optiques polymères. Pour eux, c'est typique n im = 1,4 ... 1,6, r im > 10 12 ... 10 14 Ohm cm, E im kp = 80 kV / mm, Dq im = 60 ... 120 C. Les adhésifs ont une bonne adhérence au silicium et à l'arséniure de gallium, combinent une résistance mécanique élevée et une résistance aux cycles thermiques. Des supports optiques non durcissants de type vaseline et caoutchouteux sont également utilisés.

Physique de la conversion d'énergie dans un optocoupleur à diodes

La prise en compte des processus de conversion d'énergie dans un optocoupleur nécessite de prendre en compte la nature quantique de la lumière. On sait que le rayonnement électromagnétique peut être représenté par un flux de particules - des quanta (photons), de l'énergie. chacun d'eux est défini par la relation:

E φ = hn = hc / n l (2.1)

où h est la constante de Planck;
c est la vitesse de la lumière dans le vide;
n est l'indice de réfraction du semi-conducteur;
n, l - fréquence des oscillations et longueur d'onde du rayonnement optique.

Si la densité du flux de quanta (c'est-à-dire le nombre de quanta passant par la surface unitaire par unité de temps) est N ^ , alors la puissance de rayonnement spécifique totale est:

P Φ = N Φ * E 2.2 (2.2)

et, comme il ressort de (2.1), pour un N donné, c'est la plus grande, plus la longueur d'onde du rayonnement est courte. Comme en pratique P Φ (l'irradiance énergétique du photodétecteur) est donnée, la relation suivante

Np = P / / Е = 5 * 10 15l P (2,3)

où N φ , cm -2 s -1 ; l , μm Pf , mW / cm.

Le diagramme d'énergie d'un semi-conducteur à bande directe (basé sur l'exemple du composé ternaire GaAsP)

Fig. 2. Diagramme énergétique d'un semi-conducteur à gap direct (basé sur l'exemple d'un composé GaAsP ternaire)

Le mécanisme de luminescence par injection dans une DEL comprend trois processus principaux: la recombinaison radiative (et non radiative) dans les semi-conducteurs, l'injection de porteurs minoritaires en excès dans la base de DEL et l'émission de rayonnement de la région de génération.

La recombinaison des porteurs de charge dans un semi-conducteur est déterminée, tout d’abord, par son diagramme de zone, par la présence et la nature des impuretés et des défauts, par le degré de perturbation de l’état d’équilibre. Les matériaux principaux des optocoupleurs (GaAs et composés ternaires à base de GaA1As et GaAsP) appartiennent à des semi-conducteurs à gap direct, à savoir à ceux dans lesquels des transitions optiques bande à bande directes sont autorisées (Fig. 2). Chaque acte de recombinaison du porteur de charge selon ce schéma est accompagné de l'émission d'un quantum dont la longueur d'onde, conformément à la loi de conservation de l'énergie, est déterminée par la relation:

l ile [μm] = 1,23 / E eB [eB] (2.4)

Il convient de noter qu'il existe également des mécanismes concurrents de recombinaison non radiative. Parmi les plus importants d'entre eux sont:

  1. Recombinaison dans les centres profonds. L'électron peut passer dans la bande de valence non pas directement, mais via certains centres de recombinaison qui forment les niveaux d'énergie autorisés dans la bande interdite (niveau E t sur la figure 2).
  2. Recombinaison Auger (ou choc). Aux très fortes concentrations de porteurs de charge libre, la probabilité d'une collision de trois corps augmente dans le semi-conducteur, l'énergie du couple électron-trou de recombinaison est ainsi donnée au troisième porteur libre sous forme d'énergie cinétique, qu'il dissipe progressivement dans les collisions avec le réseau.

Modèles à LED électriques (a) et optiques (b)

Fig. 3. Modèle LED électrique (a) et optique (b). A est la partie optiquement "transparente" du cristal; B - la partie active du cristal; C est la partie "opaque" du cristal; D - contacts ohmiques; Région de charge d'espace

Le rôle relatif des divers mécanismes de recombinaison est décrit en introduisant le concept du rendement quantique interne du rayonnement h int , déterminé par le rapport entre la probabilité de recombinaison radiative et la probabilité de recombinaison totale (radiative et non radiative) ou le rapport entre le nombre de quanta générés et le La valeur de h int est la caractéristique la plus importante du matériau utilisé dans la LED; il est évident que 0 h int 100%

La création d'une concentration en excès de porteurs libres dans la région active (rayonnante) du cristal de DEL est réalisée en leur injectant une jonction pn polarisée dans la direction avant.

Un courant de composant "utile" qui supporte la recombinaison radiative dans la région active de la diode est le courant d'électrons I n (figure 3a) injecté par la jonction pn. Les composants "inutiles" du courant direct sont:

  1. La composante du trou I p , due à l'injection de trous dans la région n et au fait qu'il n'y a pas de jonction p avec injection unilatérale, la fraction de ce courant est d'autant plus faible que la région n est dopée que la région p.
  2. Le courant de recombinaison (non radiatif) dans la région de charge spatiale de la jonction p - n des rivières I. Dans les semi-conducteurs à large bande interdite, à petits déplacements directs, la fraction de ce courant peut être appréciable.
  3. Le courant du tunnel est dû au "fuite" des porteurs de charge à travers la barrière potentielle. Le courant est porté par les principales porteuses et ne contribue pas à la recombinaison radiative. Le courant de tunnel est supérieur à la jonction pn, il est notable pour un fort degré de dopage de la région de base et pour des déplacements directs importants.
  4. Le courant de surface fuit I n , dû à la différence des propriétés de la surface du semi-conducteur par rapport aux propriétés du volume et à la présence de certaines inclusions de court-circuit.

L'efficacité de la jonction pn est caractérisée par le coefficient d'injection:

(2.5)

Il est évident que les limites d'un changement possible de g sont les mêmes que pour h int , c'est-à-dire 0 g 100%

Lorsque le rayonnement est extrait de la région de génération, les types de pertes d'énergie suivants se produisent (Fig. 3, b):

  1. Pertes sur auto-absorption (rayons 1). Si la longueur d'onde des quanta générés correspond exactement à la formule (2.4), elle coïncide alors avec la "limite d'absorption rouge" (voir ci-dessous) et ce rayonnement est rapidement absorbé dans l'épaisseur du semi-conducteur (auto-absorption). En fait, le rayonnement dans les semi-conducteurs à bande directe ne suit pas le schéma idéal présenté ci-dessus. Par conséquent, la longueur d'onde des quanta générés est légèrement plus grande que conformément à (2.4):
  2. Pertes sur la réflexion interne totale (rayons 2). On sait que lorsque les rayons lumineux tombent sur l'interface entre un milieu optiquement dense (semi-conducteur) et optiquement moins dense (air) sur une partie de ces rayons, l'état de réflexion interne totale est satisfait, ces rayons réfléchis à l'intérieur
  3. Pertes au rayonnement inverse et face (faisceaux 3 et 4).

Quantitativement, l'efficacité de la sortie de l'énergie optique du cristal est caractérisée par le facteur de sortie K déterminé par le rapport entre la puissance de rayonnement émise dans la direction souhaitée et la puissance de rayonnement générée à l'intérieur du cristal. Tout comme pour les coefficients h int et g , la condition 0 À la vente en gros 100%
g . L'indicateur intégral de l'émissivité de la LED est la valeur de la sortie quantique externe h ext . Il ressort clairement de ce qui précède que h ext = h intg K opt .

Allons au bloc de réception. Le principe de fonctionnement des photodétecteurs utilisés dans les optocoupleurs repose sur l'effet photoélectrique interne, qui consiste à séparer les électrons des atomes à l'intérieur du corps sous l'action d'un rayonnement électromagnétique (optique).

Le quanta de lumière, absorbé dans un cristal, peut provoquer la séparation des électrons des atomes, à la fois le semi-conducteur lui-même et l'impureté. En accord avec cela, on parle de son propre (non mélangé) et de l’absorption des impuretés (effet photoélectrique). Comme la concentration des atomes d'impuretés est faible, les effets photoélectriques basés sur l'absorption intrinsèque sont toujours plus importants que ceux basés sur l'impureté. Tous les photodétecteurs utilisés dans les optocoupleurs "fonctionnent" sur un effet photoélectrique pur. Pour que le quantum de lumière fasse que l'électron se détache de l'atome, il est nécessaire de remplir les relations énergétiques évidentes:

E 1 = hn 1 E c - E v (2.6)

E φ2 = hn 2 E c - E t (2,7)

Ainsi, un photoeffet intrinsèque ne peut avoir lieu que si un rayonnement de longueur d'onde inférieure à une certaine valeur de lgr est appliqué au semi-conducteur:

lgr = hc / (E c - E v ) 1,23 / E g (2.8)

La deuxième égalité en (2.8) est valide si l gr est exprimé en micromètres, et la largeur de la bande interdite du semi-conducteur est E g en électron-volts. La quantité lp est appelée la limite des ondes longues ou "rouge" de la sensibilité spectrale du matériau.

L'intensité de l'effet photoélectrique (dans cette région spectrale où il peut exister) dépend du rendement quantique, déterminé par le rapport entre le nombre de paires électron-trou générées et le nombre de photons absorbés. L'analyse des dépendances expérimentales sur montre que dans la région spectrale intéressante pour les optocoupleurs, b = 1.

La formation de porteurs de charges libres sous l'influence de l'irradiation se manifeste dans le semi-conducteur sous la forme de deux effets photoélectriques: photoconductivité (augmentation de la conductivité de l'échantillon sous illumination) et photovoltaïque (apparition de photo-emf dans la jonction pn Les deux effets sont utilisés dans la pratique de la conception de photodétecteurs; Pour les optocoupleurs, l'utilisation de l'effet photo-emf est préférable et dominante.

Les principaux paramètres et caractéristiques des photodétecteurs (indépendamment de la nature physique et de la conception de ces dispositifs) peuvent être divisés en plusieurs groupes: les caractéristiques optiques comprennent la surface de la surface photosensible, le matériau, la taille et la configuration de la fenêtre optique; niveaux de puissance de rayonnement maximum et minimum. Pour la photo-sensibilité électro-optique, le degré d'homogénéité de la distribution de la sensibilité sur le plot de photodétecteur; la densité spectrale de sensibilité (la dépendance du paramètre caractérisant la sensibilité sur la longueur d'onde); propre bruit du photodétecteur et leur dépendance sur le niveau d'éclairage et la gamme de fréquences de fonctionnement; temps de résolution (vitesse); coefficient de qualité (indicateur combiné, permettant de comparer différents photodétecteurs entre eux); indice de linéarité; gamme dynamique. En tant qu'élément du circuit électrique, le photodétecteur se caractérise principalement par les paramètres de son circuit équivalent, les exigences pour les modes de fonctionnement, la présence (ou l'absence) du mécanisme d'amplification intégré, le type et la forme du signal de sortie. Autres caractéristiques: opérationnel, fiable, dimensionnel, technologique - rien de spécifiquement "photorécepteur" ne contient.

Selon la nature du signal de sortie (tension, courant), on parle de la sensibilité au volt ou au courant du récepteur S, mesurée respectivement en V / W ou en A / W. La linéarité (ou non linéarité) du photodétecteur est déterminée par la valeur de l'exposant n dans l'équation reliant le signal de sortie au signal d'entrée: Uout (ou Iout ) ~ P f . Pour n 1 photodétecteur est linéaire; La gamme de Pf (de Pfmax à Pfmin ) dans laquelle cela est effectué détermine la gamme dynamique de la linéarité du photodétecteur D , généralement exprimée en décibels: D = 10 lg ( Pf max / Pf min ).

Le paramètre le plus important du photodétecteur, qui détermine le seuil de sa sensibilité, est la puissance de détection spécifique D, mesurée en W -1 m Hz 1/2 . À une valeur connue de D, le seuil de sensibilité (puissance de rayonnement minimale fixée) est défini comme

P f min = / D (2.9)

où A est l'aire de la zone photosensible; D f - la gamme des fréquences de fonctionnement de l'amplificateur de signal photo. En d'autres termes, le paramètre D joue le rôle du facteur de qualité du photodétecteur.

Schémas de mesure et famille de caractéristiques courant-tension dans les modes de fonctionnement photodiode (a) et photoentile (b) d'une diode

Fig. 4. Schémas de mesure et familles de caractéristiques voltampères dans les modes de fonctionnement de la photodiode (a) et du photoentile (b) de la diode

Appliquées aux optocoupleurs, les caractéristiques énumérées ne sont pas toutes aussi importantes. En règle générale, les photodétecteurs dans les optocoupleurs fonctionnent sous des irradiations très éloignées du seuil, de sorte que l'utilisation des paramètres P min et D est pratiquement inutile. Structurellement, un photodétecteur dans un optocoupleur est généralement "noyé" dans une immersion. l'environnement le reliant au radiateur, la connaissance des caractéristiques optiques de la fenêtre d'entrée devient donc sans signification (en règle générale, il n'y a pas de telle fenêtre). Il n'est pas très important de connaître la distribution de sensibilité sur le tampon photosensible, car les effets intégraux sont intéressants.

Nous considérons le mécanisme de fonctionnement des photodétecteurs basé sur l’effet photovoltaïque en utilisant l’exemple des photodiodes planaires-épitaxiales à jonction pn et à structure p-dans lesquelles un substrat n + , une base de type n ou i (faible conductivité n type) et couche mince p + . En fonctionnement dans le régime de photodiode (Fig. 4, a), la tension exercée fait que les trous mobiles et les électrons s'échappent de la transition pn (p-i); l'image de la distribution du champ dans le cristal se révèle nettement différente pour les deux structures considérées.

Le rayonnement lumineux absorbé dans la région de base de la diode génère des paires d'électrons-trous qui diffusent vers la jonction pn, sont séparées par celle-ci et provoquent l'apparition d'un courant supplémentaire dans le circuit externe. Dans les p-i-n-diodes, cette séparation intervient dans le domaine du champ i, et au lieu du processus de diffusion, la dérive des porteurs de charge se produit sous l'influence du champ électrique. Chaque paire électron-trou générée qui a traversé la jonction pn entraîne une charge dans le circuit externe égale à la charge de l'électron. Plus il y a d'irradiation de la diode, plus il y a de photocourant. Le photocourant circule également lorsque la diode est déplacée vers l'avant (Fig. 4, a), mais même à basse tension, il est beaucoup plus faible que le courant direct, de sorte que son isolement est difficile.

La zone de travail des caractéristiques courant-tension d'une photodiode est le troisième quadrant de la Fig. 4, a; En conséquence, en tant que paramètre le plus important, la sensibilité actuelle

(2.10)

La deuxième égalité dans (2.10) a été obtenue sous l'hypothèse de la dépendance linéaire I = f (P) et la troisième - à condition de négliger le courant d'obscurité (I T << I), qui est généralement satisfaite pour les photodiodes au silicium.

Si nous éclairons la photodiode sans lui appliquer un déplacement externe, alors le processus de séparation des électrons et des trous générés se poursuivra grâce à l'action du champ intrinsèque intégré de la jonction pn. Dans ce cas, les trous vont se déplacer dans la région p et compenser partiellement le champ intégré de la jonction pn. Un nouvel état d'équilibre (pour une valeur donnée: P ф ) est créé dans lequel une photo-emf apparaît sur les bornes externes de la diode. Si vous fermez la photodiode éclairée pour une certaine charge, cela lui donnera une puissance électrique utile.

Les points caractéristiques des caractéristiques courant-tension d'une diode fonctionnant dans un tel mode photovoltaïque sont l'émetteur de tension à vide Uxx et le courant de court-circuit Ic (figure 4, b).

Schématiquement, la photodiode en mode porte fonctionne comme une sorte de source d'énergie secondaire, de sorte que son paramètre déterminant est l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité:

Efficacité = P э / AP ф = aU xx I кз / A p (2.11)

Dans le régime photovoltaïque, une classe importante de dispositifs photovoltaïques - les cellules solaires - fonctionne.

Paramètres et caractéristiques des optocoupleurs et des circuits intégrés optoélectroniques

Classification des paramètres des appareils optroniques

Lors de la classification des produits des optocoupleurs, deux éléments sont pris en compte: le type de dispositif photodétecteur et les caractéristiques de conception de l'appareil dans son ensemble.

Le choix de la première caractéristique de classification est dû au fait que presque tous les optocoupleurs ont une LED en entrée et que la fonctionnalité de l'appareil est déterminée par les caractéristiques de sortie du photodétecteur.

En second lieu, on adopte une conception qui détermine l’application spécifique de l’optocoupleur.

A la définition des paramètres d'impulsion des optocoupleurs

Fig. 5. A la définition des paramètres d'impulsion des optocoupleurs

En utilisant ce principe de conception mixte et de classification schématique, il est logique de distinguer trois groupes principaux de dispositifs optroniques: les optocoupleurs (optron élémentaire), les circuits intégrés optoélectroniques (optroniques) et les types spéciaux d’optocoupleurs. Chacun de ces groupes comprend un grand nombre de types d’instruments.

Pour les optocoupleurs les plus courants, les abréviations suivantes sont utilisées: diode D, transistor T, résistance R, thyristor U, T2 - avec phototransistor composite, transistor à diode DT, différentiel 2D (2T) à diode (transistor).

Le système de paramètres des dispositifs optroniques est basé sur le système de paramètres optocoupleur, qui est formé de quatre groupes de paramètres et de modes.

Le premier groupe caractérise le circuit d'entrée de l'optocoupleur (paramètres d'entrée), le second - son circuit de sortie (paramètres de sortie), le troisième combine des paramètres caractérisant le degré d'exposition de l'émetteur au photodétecteur et les caractéristiques du passage du signal par coupleur (paramètres de transfert) Enfin, le quatrième groupe combine les paramètres d’isolation galvanique, dont les valeurs indiquent la distance entre l’optocoupleur et l’élément de découplage idéal. Parmi les quatre groupes énumérés, les paramètres de la caractéristique de transfert et les paramètres de l'isolation galvanique sont les paramètres, en particulier les "optocoupleurs".

Le paramètre le plus important des optocoupleurs à diodes et à transistors est le coefficient de transmission actuel. La détermination des paramètres d'impulsion des optocoupleurs est claire (Fig. 5). Les niveaux de référence pour mesurer les paramètres tpp (cp) , tcd et t on (off) sont généralement les niveaux 0,1 et 0,9, le temps total du retard logique du signal est déterminé par le niveau 0,5 de l'amplitude de l'impulsion.

Paramètres d'isolation galvanique. Les optocoupleurs sont: la tension de crête maximale admissible entre l'entrée et la sortie U de la sortie, n max ; tension maximale admissible entre l'entrée et la sortie U fois max ; résistance de l'isolation galvanique R razv ; Capacité de débit C razv ; le taux de variation de tension maximal admissible entre l'entrée dans la sortie (dU razv / dt) max . Le paramètre le plus important est le paramètre U, n max . C'est lui qui détermine la force électrique de l'optocoupleur et ses capacités en tant qu'élément d'isolement galvanique.

Les paramètres considérés des optocoupleurs sont utilisés complètement ou avec quelques modifications pour la description des circuits intégrés optoélectroniques.

Optocoupleurs à diodes

Légende des optocoupleurs

Fig. 6. Symboles des optocoupleurs

Les optocoupleurs à diodes (Figure 6, a), plus que tout autre: les autres dispositifs, caractérisent le niveau des optocoupleurs. Par la valeur de K i, on peut juger de l'efficacité obtenue de la conversion d'énergie dans un optocoupleur; les valeurs des paramètres temporels permettent de déterminer les taux limites de diffusion de l'information. La connexion à un optocoupleur à diodes de différents éléments amplificateurs, ce qui est très utile et commode, ne peut cependant pas donner de gain ni pour l'énergie, ni pour limiter les fréquences.

Optocoupleurs à transistor et à thyristor

Les optocoupleurs à transistors (figure 6, c) présentent un certain nombre de propriétés différentes des autres types d’optocoupleurs. C'est principalement la flexibilité du circuit, qui se manifeste par le fait que le courant de collecteur peut être contrôlé à la fois par le circuit LED (optiquement) et par le circuit de base (électriquement) et par le fait que le circuit de sortie peut fonctionner en mode linéaire et en mode clé. Le mécanisme d'amplification interne permet d'obtenir de grandes valeurs du coefficient de transfert de courant K i , de sorte que les étapes d'amplification ultérieures ne sont pas toujours nécessaires. Il est important que, dans ce cas, l'inertie de l'optocoupleur ne soit pas très élevée et dans de nombreux cas, elle est tout à fait acceptable. Les courants de sortie des phototransistors sont beaucoup plus élevés que, par exemple, les photodiodes, ce qui les rend aptes à commuter une large gamme de circuits électriques. Enfin, il convient de noter que tout cela est réalisé avec la simplicité technologique relative des optocoupleurs à transistors.

Les optocoupleurs à thyristors (Figure 6, b) sont les plus prometteurs pour la commutation de circuits haute tension à courant fort: en combinant la puissance commutée dans la charge et la vitesse, ils sont nettement préférables à l’optopar T 2 . Les optocoupleurs de type AOU103 sont conçus pour être utilisés comme éléments clés sans contact dans divers circuits radioélectroniques: dans les circuits de commande, les amplificateurs de puissance, les formateurs d'impulsions, etc.

Optocoupleurs à résistance

Les optocoupleurs à résistances (Figure 6, d) sont fondamentalement différents de tous les autres types d’optocoupleurs par leurs caractéristiques physiques et technologiques, ainsi que par la composition et les valeurs des paramètres.

Le principe de l'action des photorésistances est basé sur l'effet de la photoconductivité, c'est-à-dire la modification de la résistance d'un semi-conducteur sous illumination.

Optocoupleurs différentiels pour la transmission de signaux analogiques

Tout ce qui précède concerne la transmission d'informations numériques sur un circuit isolé galvaniquement. Dans tous les cas, quand on parlait de linéarité, de signaux analogiques, il s'agissait de la forme de la caractéristique de sortie d'un optocoupleur. Dans tous les cas, le contrôle sur le canal émetteur-photodétecteur n'a pas été décrit par une dépendance linéaire. Une tâche importante est la transmission d'informations analogiques à l'aide d'un optocoupleur, c'est-à-dire assurant la linéarité de la caractéristique de transfert entrée-sortie [36]. Ce n'est qu'en présence de tels optocouples qu'il est possible de distribuer directement des informations analogiques sur des circuits isolés galvaniquement sans les convertir sous forme numérique (train d'impulsions).

La comparaison des propriétés de différents optocoupleurs par rapport à des paramètres importants du point de vue de la transmission de signaux analogiques conduit à la conclusion que si ce problème peut être résolu, alors uniquement avec des optocoupleurs à diodes possédant de bonnes caractéristiques de fréquence et de bruit. La complexité du problème réside principalement dans une gamme étroite de linéarité de la caractéristique de transfert et dans le degré de cette linéarité dans les optocoupleurs à diodes.

Il convient de noter que seules les premières mesures ont été prises pour créer des dispositifs à isolation galvanique, adaptés à la transmission de signaux analogiques, et que de nouveaux progrès sont à prévoir.

Microcircuits optoélectroniques et autres dispositifs de type optron

Les microcircuits optoélectroniques sont l’une des classes de dispositifs optroniques les plus développées et les plus utilisées. Cela est dû à la compatibilité électrique et structurelle totale des puces optoélectroniques avec les microcircuits traditionnels, ainsi qu'à leur plus grande fonctionnalité par rapport aux optocoupleurs élémentaires. Comme les microcircuits courants, les microcircuits à commutation optoélectronique sont les plus utilisés.

Des types particuliers d’optocoupleurs diffèrent nettement des optocoupleurs traditionnels et des microcircuits optoélectroniques. Ceux-ci incluent, en premier lieu, les optocoupleurs avec un canal optique ouvert. Lors de la conception de ces dispositifs, il existe un entrefer entre l'émetteur et le photodétecteur, de sorte qu'en plaçant des barrières mécaniques dans celui-ci, il est possible de contrôler le flux lumineux et donc le signal de sortie de l'optocoupleur. Ainsi, les optocoupleurs à canal optique ouvert agissent comme des capteurs optoélectroniques qui détectent la présence (ou l'absence) d'objets, l'état de leur surface, la vitesse de déplacement ou de rotation, etc.

Sphères d'application des optocoupleurs et des optocoupleurs

Les orientations de développement et les applications de la technologie optronique ont été largement déterminées. Les optocoupleurs et les optocoupleurs sont utilisés efficacement pour transférer des informations entre des dispositifs qui ne possèdent pas de connexions électriques fermées. Traditionnellement, les positions des dispositifs optoélectroniques dans la technologie d'obtention et d'affichage des informations restent fortes. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации. Эффективной и полезной оказывается замена громоздких, недолговечных и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным и полезным является использование оптронных элементов в энергетических целях.

Передача информации

Lors de la transmission d'informations, les optocoupleurs sont utilisés comme éléments de communication et, en règle générale, ne comportent pas de charge fonctionnelle indépendante. Leur utilisation permet de réaliser une isolation galvanique très efficace des dispositifs de commande et de charge (Fig. 7) fonctionnant sous différentes conditions et régimes électriques. Avec l'introduction des optocoupleurs, l'immunité au bruit des canaux de communication augmente fortement; Des interactions pratiquement "parasitaires" sur les chaînes de "sol" et un aliment sont éliminées. La coordination rationnelle et fiable des dispositifs numériques intégrés avec une base d'éléments hétérogènes (TTL, ESL, I2L, CMOS, etc.) est également intéressante.

Circuit d'isolation galvanique interbloc

Fig. 7. Schéma de l'isolement galvanique entre blocs

Le circuit d'adaptation d'un élément de la logique transistor-transistor (TTL) avec un dispositif intégré sur des transistors MIS est construit sur un optocoupleur à transistor (Fig. 8). Dans le mode de réalisation spécifique: E 1 = E 2 = 5 V, E 3 = 15 V, R 1 = 820 Ω, R 2 = 24 kOhm - la DEL de l’optocoupleur est excitée par un courant (5 mA) suffisant pour saturer le transistor et contrôler transistors.

Fig. 8. Le schéma de couplage des éléments TTL et MDS le long du canal optique

Les communications optiques dans les appareils et systèmes téléphoniques sont activement utilisées. Grâce à des optocoupleurs, des moyens techniquement simples peuvent connecter des dispositifs microélectroniques destinés à l'appel, à l'indication, à la surveillance et à d'autres fins aux lignes téléphoniques.

L’introduction de liaisons optiques dans l’équipement de mesure électronique, outre l’isolation galvanique de l’objet et de l’instrument de mesure, utile à bien des égards, permet également de réduire considérablement l’influence des interférences agissant sur le sol et les circuits de puissance.

Les possibilités et l'expérience de l'utilisation de dispositifs et de dispositifs optoélectroniques dans les équipements biomédicaux sont d'un intérêt considérable. Les optocoupleurs peuvent isoler de manière fiable le patient de l'action des hautes tensions, disponibles par exemple dans les électrocardiographes.

Le contrôle sans contact de circuits haute tension et haute puissance à travers des canaux optiques est très pratique et sûr dans des conditions techniques complexes typiques de nombreux appareils et complexes électroniques industriels. Dans cette région, les optocoupleurs à thyristor sont puissants (Figure 9).

Circuit de commutation de charge CA

Fig. 9. circuit de commutation de charge CA

Obtenir et afficher des informations

Les optocoupleurs et les optocoupleurs occupent une place importante dans la technique à distance sans contact d’acquisition opératoire et d’affichage précis des informations sur les caractéristiques et les propriétés de processus et d’objets très différents (par nature et par objectif). Les optocoupleurs à canaux optiques ouverts possèdent des capacités uniques à cet égard. Parmi eux, des interrupteurs optoélectroniques réagissant à l'intersection d'un canal optique avec des objets opaques (figure 10) et des optocoupleurs réfléchissants, dans lesquels l'effet des émetteurs de lumière sur les photodétecteurs est entièrement lié à la réflexion du flux rayonné par des objets externes.

Capteur optoélectronique

Fig. 10. Capteur optoélectronique

La gamme d'applications des optocoupleurs à canaux optiques ouverts est vaste et diversifiée. Déjà dans les années 1960, les optocoupleurs de ce type étaient utilisés pour enregistrer des objets et des objets. Avec un tel enregistrement, qui est caractéristique principalement des dispositifs de contrôle et de compte automatiques d'objets, ainsi que de détection et d'indication de divers types de défauts et de défaillances, il est important de localiser clairement l'objet ou de refléter son existence. Les fonctions d'enregistrement des optocoupleurs sont fiables et opérationnelles.

Contrôle des processus électriques

La puissance du rayonnement généré par la LED et le niveau de photocourant généré dans les circuits linéaires à photodétecteurs sont directement proportionnels au courant de la conductivité électrique du radiateur. Ainsi, par des canaux optiques (sans contact, à distance), il est possible d'obtenir des informations précises sur les processus dans les circuits électriques connectés galvaniquement au radiateur. L'utilisation des émetteurs de lumière des optocoupleurs est particulièrement efficace en tant que capteur de changements électriques dans les circuits à haute tension et à fort courant. Des informations claires sur ces modifications sont importantes pour la protection opérationnelle des sources et des consommateurs d’énergie contre les surcharges électriques.

Stabilisateur de tension avec optocoupleur de contrôle

Fig. 11. Stabilisateur de tension avec optocoupleur de contrôle

Les optocoupleurs fonctionnent avec succès dans les régulateurs de tension haute tension, où ils créent des canaux optiques de rétroactions négatives. Le stabilisateur considéré (Fig. 11) se réfère à un dispositif série, le transistor bipolaire étant l'élément de régulation, et la diode zéner de silicium servant de source de tension de référence (de référence). L'élément comparatif est la LED.

Si la tension de sortie dans le circuit de la Fig. 11 augmente, le courant de conduction de la LED augmente également. Le phototransistor de l'optocoupleur agit sur le transistor, supprimant l'instabilité éventuelle de la tension de sortie.

Remplacement de produits électromécaniques

Dans le complexe de solutions techniques visant à accroître l'efficacité et la qualité des automatismes, de l'ingénierie radio, des télécommunications, de l'électronique industrielle et grand public, le remplacement des produits électromécaniques (transformateurs, relais, potentiomètres, rhéostats, boutons poussoirs et interrupteurs à clé) analogues à grande vitesse. Le rôle principal dans cette direction est attribué aux dispositifs et dispositifs optoélectroniques. Le fait est que les optocoupleurs présentent également des avantages techniques très importants des transformateurs et des relais électromagnétiques (isolation galvanique des circuits de commande et de charge, fonctionnement fiable dans les systèmes haute puissance, haute tension et courant fort). Dans le même temps, les produits optoélectroniques dépassent de manière significative les analogues électromagnétiques en termes de fiabilité, de durabilité, de caractéristiques transitoires et de fréquence. La commande de transformateurs optoélectroniques compacts et à grande vitesse, de commutateurs, de relais est réalisée à l'aide de microcircuits intégrés de technologie numérique sans moyens spéciaux d'adaptation électrique.

Un exemple de remplacement d'un transformateur d'impulsions est illustré à la Fig. 12.

Schéma du transformateur optoélectronique

Fig. 12. Schéma du transformateur optoélectronique

Fonctions énergétiques

En mode alimentation, les optocoupleurs sont utilisés comme sources secondaires de champs électromagnétiques et de courant. L'efficacité des optocoupleurs est faible. Cependant, la possibilité d'introduire une source de tension ou de courant supplémentaire dans un circuit quelconque de l'appareil sans couplage galvanique avec la source d'alimentation primaire confère au développeur un nouveau degré de liberté, particulièrement utile pour résoudre des problèmes techniques non standard.