Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим  воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

       Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

       В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

       Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи l=0,7...0,9мкм.

       Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

       Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

       - Миниатюрные лампочки накаливания.

       - Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон.

Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

       - Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем или другими присадками),взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

       - Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно- тонкопленочные ), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f=400 ... 800Гц). Основное достоинство этих  излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

       Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

       Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления n_им; высокое значение удельного сопротивления r _им; высокая критическая напряженность поля Е_{им кр}, достаточная теплостойкость D q _{им раб}; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

       Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах являются полимерные оптические клеи. Для них типично n_им =1,4... 1,6, r _им > 10¹²... 10¹⁴ Ом см, Е_{им кр} =80 кВ/мм, D q _{им раб} = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию. Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

       Рассмотрение  процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется соотношением;

E _ф =h n =hc/n l                                                                  (2.1)

 где h - постоянная Планка ;

       с - скорость света в вакууме ;

       n - показатель преломления полупроводника ;

       n, l - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

       Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу вpeмени) равна N_ф, то полная удельная мощность излучения составит:

P_ф= N_ф E _ф                                                                        (2.2)

 и, как видно из (2.1), при заданном N_ф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает P_ф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

N_ф = P_ф/ E _ф =5 10¹⁵ l P_ф                                               (2.3)

где N_ф, см^-2 с^-1; l, мкм; P_ф, мВт/см.

       Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и безызлучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации.

       Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением

l _изл [мкм] =1,23/ E _ф [эB]                                                (2.4)

       Следует отметить, Что имеются и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации . К числу важнейших из них относятся:

       1. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень E_t на рисунке 2.1).

       2. Оже-рекомбинация (или ударная). При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно-дырочкой пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

       Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения h _int, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда). Значение h _int является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0 h _int 100%.

       Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р - n-переходом, смещенным в прямом направлении.

       “Полезной” компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов I_n (рис.2.2,а), инжектируемых р - n-переходом. К “бесполезным” компонентам прямого тока относятся:

       1. Дырочная составляющая I_p, обусловленная инжекцией дырок в n-область и отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

       2. Ток рекомбинации (безызлучательной) в области объемного заряда р - n-перехода I_рек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быть заметной.

       3. Туннельный ток I_тун , обусловленный “просачиванием” носителей заряда через потенциальный барьер. Ток переносится основными носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает. Туннельный ток тем больше, чем уже р - n-переход, он заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях.

       4. Ток поверхностных утечек I_пов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений.

Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции:

                                               (2.5)

Очевидно, что пределы возможного изменения g те же, что и у h _int, т. е. 0 g 100%.

       При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

       1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (2.4), то она совпадает с “красной границей” поглощения (см. ниже), и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника (самопоглощение).В действительности, излучение в прямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по (2.4):

       2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.

       3. Потери на обратное и торцевое излучение (луч 3 и 4).

Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода К_опт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так же, как и для коэффициентов h _int и g , всегда выполняется условие 0  К_опт 100%.

       Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода h _ext. Из сказанного ясно, что h _ext = h _int g К_опт.

       Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте , заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического) излучения.

       Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов как  самого полупроводника, так и примеси. В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте).  Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники “работают” на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:

E_ф1=h n ₁ E_c-E_v                                                              (2.6)

E_ф2=h n ₂ E_c-E_t                                                               (2.7)

        Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения l _гр:

l _гр =hc/( E_c-E_v) 1.23/ E_g                                               (2.8)

       Второе равенство в (2.8) справедливо, если l _гр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника E_g - в электроновольтах. Величину l _гр называют длинноволновой или “красной” границей спектральной чувствительности материала.

       Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов. Анализ экспериментальных зависимостей от показывает, что в интересной для оптронов спектральной области b =1.

       Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.

       Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом и формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически “фотоприемното” не содержат.

       В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: U_вых( или I_вых)~P_ф. При n 1 фотоприемник линеен; область значений P_ф(от P_{ф max} до P_{ф min}), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника , выражаемый обычно в децибелах: =10 lg(P_{ф max} /P_{ф min}).

       Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная способность D, измеряемая в Вт^-1 м Гц^1/2. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как

P_{ф min}= /D                                                              (2.9)

 где А - площадь фоточувствительной площадки; - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

       В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров P_{ф min} и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

       Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой, в которых можно выделить n⁺- подложку, базу n- или i-типа (слабая проводимость n-типа) и тонкий р⁺-слой. При работе в фотодиодном режиме (рис. 2.4,а) приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

       Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это разделение происходит в поле i-o6лaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей   заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р - n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рис. 2.4,а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

       Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис. 2.4,а; соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность

                                              (2.10)

       Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной зависимости I_ф=f(P_ф), а третье - при условии пренебрежения темновым током ( ), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

       Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р - n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения: P_ф) состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС U_ф. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Р_э.

       Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода U_xx и ток короткого замыкания I_кз (рис. 2.4,б).

       Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:

КПД=P_э/AP_ф=aU_xxI_кз/ Ap_ф                                (2.11)

       В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.