CC BY
32
5. Блинков, С.Н. Организация и содержание физкультурно-оздоровительной работы в сельской школе: монография / С.Н. Блинков, С.П. Левушкин. - Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 191 с.
6. Левушкин, С.П. Исследование физического состояния учащейся мо-лодежи: монография / С.П. Левушкин, В.А. Хамзина, С.Н. Блинков. - Ульяновск: УлГТУ, 2013. - 162 с.
7. Левушкин, С.П. Оптимизация физического состояния школьников 12-14 лет на основе влияния мышечных нагрузок различной направленности: монография / С.П. Левушкин, С.Н. Блинков. - Ульяновск: ИПК ПРО, 2000. - 124 с.
8. Косицкий, Г.И. Звуковой метод исследования артериального давле-ния / Г.И. Косицкий. - М.: Медгиз, 1959. - 275 с.
9. Организация и оценка здоровьесберегающей деятельности образовательных учреждений. Руководство для работников системы общего образования. - М.: Московский городской фонд поддержки школьного книгоиздания, 2004. - 380 с. - (Серия В помощь образовательному учреждению: «Профилактика злоупотребления психоактивными веществами» / Министерство образования и науки российской федерации.
10. Тупицин, И.О. Возрастная динамика и адаптационные изменения сердечно-сосудистой системы школьников / И.О. Тупицын. - М.: Педагогика, 1985. - 85 с.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ В СПЕЦКУРСЕ ПО ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕ
Буркова Елена Геннадьевна
старший преподаватель МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Бондина Вера Петровна
канд. тех. наук, доцент, УлГПУ им. И.Н. Ульянова, г. Ульяновск
АННОТАЦИЯ
Важнейшим функциональным направлением электроники является раздел оптоэлектроники, где синтезируются достижения целого ряда областей науки и техники: квантовой электроники, физики твердого тела, полупроводниковой электроники, микроэлектроники и других.
Целью данной работы является изложение нестандартной программы спецкурса по оптоэлектронике для студентов старших курсов вузов. В спецкурсе используются экспериментальные методы исследования приборов и оптоэлектронных преобразователей с целью выбора оптимальных режимов работы, исходя из их принципа действия и физических процессов, лежащих в основе функционирования данных устройств.
В результате проделанной работы предложены методы исследования и сравнительного анализа различных классов опто-электронных приборов по типовым характеристикам и параметрам, выявленным в ходе физических экспериментов.
В предложенной программе по исследованию оптоэлектронных приборов продемонстрирован нестандартный подход к изучению основных принципов и закономерностей оптоэлектроники на примере экспериментальных исследований. На основе анализа перечня физических исследований показаны ограничения и методы выбора оптимальных режимов работы оптоэлектронных приборов и их элементов по напряжению, допустимому току, температурному режиму. Из сравнительного анализа различных классов оптоэлектронных приборов и материалов, из которых они изготовлены, сделаны выводы о перспективных направлениях совершенствования и развития оптоэлектронных приборов.
ABSTRACT
The той important functional direction of electronics, section of optoelectronics, where synthesized the achievements of a number of fields of science and technology: quantum electronics, solid Sate physics, semiconductor electronics, microelectronics and others.
The purpose of this paper is to present unusual program of a special course on optoelectronics for Sudents of senior courses of universities. Students will use experimental methods to &udy optoelectronic devices and converters with the aim of choosing the optimal modes based on their principle of operation and the physical processes underlying the functioning of these devices.
As a result of the proposed research methods and a comparative analysis of different classes of optoelectronic equipment on the model features and parameters identified in the physical experiments.
The proposed programme on research of optoelectronic devices demon^rated the unconventional approach to the &udy of the basic principles and laws of electronics on the example of experimental research. Based on the analysis of the Ш of physical Sudies have shown the limits and methods of choice of optimum modes of operation of optoelectronic devices and their components for voltage, allowable current, temperature. Comparative analysis of different classes of optoelectronic devices and the materials from which they are made, conclusions are drawn about the promising directions of improvement and development of optoelectronic devices.
Ключевые слова: оптоэлектроника, фоточувствительные приборы, фотодиод, фототранзистор, фоторезистор, светоди-од, светоизлучающий диод, люминесцентные лампы, светодиодные лампы, солнечные батареи, вольт-амперная характери-
стика, люминесцентная характеристика, спектральная характеристика, оптрон, оптопара.
Keywords: optoelectronics, photosensitive devices, photodiode, phototransi^or, photoresi^or, led, light-emitting diode, fluorescent lamp, led bulb, solar panels, volt-ampere characteri^ic, luminescent characterises, spectral response, optron, optocoupler.
Одним из важнейших функциональных направлений электроники является оптоэлектроника, физические основы которой составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и электрических в оптические. В оптоэлектронике исследуются процессы распространения излучения в различных средах, а также взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона с веществом.
Теоретическую основу оптоэлектроники составляют физические явления фотопроводимости, люминесценции, фотогальванические эффекты, нелинейные оптические эффекты, акустические эффекты, а также теория вынужденного излучения и другие процессы.
Нами разработана программа спецкурса по оптоэлектронике для студентов старших курсов ВУЗов, которая включает изучение теоретических основ оптоэлектроники и экспериментальную часть исследовательского характера.
Оптоэлектроника в процессе развития синтезирует достижения целого ряда областей науки и техники: квантовой электроники, физики твердого тела, полупроводниковой электроники, микроэлектроники и других. При разработке и создании оптоэлектронных приборов и устройств широко используются возможности технологии производства интегральных микросхем и нанотехнологий.
Программа экспериментальной части спецкурса включает перечень заданий по исследованию характеристик и параметров оптоэлектронных приборов и их элементов. Актуальность этих исследований определяется тем, что приборы оптоэлектроники широко используются для решения современной проблемы комплексной микроминиатюризации аппаратуры. Определение оптимальных режимов эксплуатации фоточувствительных приборов в зависимости от назначения с учетом различных внешних воздействий, поиск возможностей и путей создания и разработки элементов фоточувствительных приборов с заданными параметрами и характеристиками требуют всесторонних и тщательных исследований в широком диапазоне интенсивности изучения, температуры и других параметров.
Для выработки и закрепления навыков самостоятельного научного исследования студентам предлагается подобрать приборы и оборудование из имеющихся в лаборатории, разработать экспериментальные установки для измерений вольт-амперных, люкс-амперных характеристик, температурных зависимостей, релаксационных кривых для определения времени жизни носителей заряда фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов различных типов (например, ФСК-1, ФСК-2, ФСК-Г7, ФД-1, ФД-2, ФД-256, МП-39), а также элементов солнечных батарей с просветляющим покрытием и без него. Методы измерения и полученные темновые, световые характеристики, а также результаты исследования различных режимов работы фоточувствительных приборов с объяснением физических процессов обсуждаются подробно и детально на каждом этапе проведенных исследований.
В реальных условиях работы фоточувствительных приборов не всегда возможно создание стабильного температурного режима, поэтому очень важными являются иссле-
дования характеристик и режимов их работы, в зависимости от изменения температуры (измерении проводились при температуре Т=263К ^ 333К в диапазоне освещенностей от 200 ЛК до 4000ЛК). Результаты измерений подтверждают уменьшение выпрямляющего действие фотодиодов с повышением температуры, что необходимо учитывать в реальных условиях их работы.
Кроме полупроводниковых приемников электромагнитного излучения важную роль в оптоэлектронике играют полупроводниковые излучатели: а) источники некогерентного излучения (светоизлучающие диоды (СИД), инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды), электролюминесцентные порошковые и пленочные излучатели, полупроводниковые знаковые индикаторы и другие); б) когерентные полупроводниковые излучатели (полупроводниковые лазеры с различными видами возбуждения).
Перечисленные источники излучения относятся так же, как и приемники к основным элементам оптоэлектронных устройств и применяются как в виде различных комбинаций, так и в виде автономных устройств и узлов, потому что они составляют основу любой оптоэлектронной системы и определяют ее функциональные возможности. В связи с этим в экспериментальную часть спецкурса включено исследование приборов на основе полупроводниковых свето-излучающих кристаллов, которые имеют сегодня обширные области применения в самых различных областях науки и светотехники. Благодаря возможностям большого выбора цветов свечения в широком диапазоне яркостей в сочетании с любой формой пространственного распределения излучения, открываются огромные перспективы использования СИД в качестве источников света для различных устройств. Оптрон - простой структурный элемент оптоэлектроники, состоящий из источника света и фотоприемника, соединенных между собой оптической связью. Принцип действия оптрона основан на двойном преобразовании энергии, в нем в качестве источника света используют СИД.
Структурная схема оптрона, кроме источника и приемника излучения, включает в себя световой канал. Световод (или оптический канал) - любое прозрачное вещество: воздух, стекло или пластмасса. Структурная схема элементарного оптрона (оптопары) содержит один источник и один приемник излучения, которые должны быть согласованы по спектральным характеристикам. Такие оптопары самостоятельно конструируют студенты и исследуют их параметры и характеристики.
Более сложные оптроны, объединенные в интегральные микросхемы с согласующими и усиливающими устройствами, называются оптоэлектронными интегральными схемами (ИС).
Оптопара была создана для гальванической развязки двух цепей. Дальнейшее совершенствование и повышение эффективности интегральных согласованных пар све-тодиод-фотоприемник привело к появлению оптических устройств гальванической развязки с высоким коэффициентом передачи по току, также появилась возможность их создания в интегральном исполнении. Области применения современных оптопар разнообразны: они предназначены для
использования в качестве элемента гальванической развязки аппаратуры промышленного контроля, для осуществления связи аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей с периферийными устройствами ЭВМ и другой современной РЭА. Поэтому очевидна целесообразность экспериментального исследования в рамках спецкурса ре-зисторных и диодных оптопар (как сконструированных, так и промышленного изготовления).
В настоящее время в связи с тенденцией общества к сбережению электроэнергии остро стоит проблема замены ламп накаливания более экономичными и эффективными источниками света. В качестве таких альтернативных источников используются люминесцентные и светодиодные лампы.
Исследование этих источников излучения весьма актуальны, так как их совершенствование и дальнейшая разработка требуют решения различных проблем, таких как вредное УФ - излучение люминесцентных ламп, нагревание в области р-п-перехода и необходимость строго определённого номинального рабочего тока для светодиодных ламп.
Физическая основа работы СИД - излучательная рекомбинация, при которой выделяется энергия в виде потока фотонов. В отличие от выпрямительных диодов, СИД изготавливаются из «прямозонных» полупроводников. Во-первых, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света излучения требуемого диапазона, во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации должна быть высокой, поэтому полупроводниковый кристалл, должен содержать мало дефектов, чтобы исключить безызлучательную рекомбинацию. Чтобы эти условия выполнялись, необходимо изготовить не моно-, а гетероструктуры.
Инжекционные СИД на основе гетероструктур создаются последовательным эпитаксиальным наращиванием двух и более слоев полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Необходимыми условиями при этом являются близость кристаллической структуры, постоянных решетки, температурных коэффициентов линейного расширения.
Широкое распространение получили СИД на основе GaP, излучающие в зеленой, желтой и красной областях спектра, и GaN, излучающие голубой свет.
Существенный прогресс достигнут в области физики и технологии создания эпитаксиальных светодиодных гетеро-структур на основе твердых растворов А1Ва1пК Такие СИД обладают высокими показателями.
В рамках экспериментальных заданий студенты исследуют основные характеристики СИД:
• зависимости силы тока от приложенного напряжения;
• зависимости яркости излучения от напряжения;
• спектральные характеристики;
• исследуют влияние изменения температуры на вышеперечисленные характеристики и параметры;
Кроме того, проводится сравнительный анализ и экспериментальные исследования спектральных характеристик люминесцентных энергосберегающих ламп «холодного» и «теплого» свечения.
Поскольку СИД излучает свет при пропускании тока в прямом направлении через р-п-переход, то измеряются ВАХ только при прямом смещении, по которым определяется ширина запрещенной зоны: Е =q0 и где q0 - заряд электро-
на, а и0 - величина приложенного напряжения, при котором наблюдается резкий рост тока. По результатам исследований подтверждается теоретическое положение о том, что меньшая Е^ соответствует излучению с меньшей средней частотой.
Спектральные характеристики светодиодов подтверждают теоретически ожидаемые границы спектров излучения.
Изучение спектров излучения энергосберегающих ламп «холодного» и «теплого» свечений позволяет сделать выводы: отсутствует четкий максимум для лампы «теплого» свечения (520 - 660) нм, для лампы «холодного» свечения характерен один максимум в зеленой области спектра; спектральный состав представляет собой сплошной спектр (характерный для излучения видимого белого света) с заметными четкими полосами линейчатого спектра, характерного для излучения паров ртути (которые являются источником ультрафиолетового излучения в люминесцентной лампе). В свою очередь, ультрафиолетовое излучение возбуждает люминофор, находящийся на внутренних стенках лампы, вследствие чего возникает видимое излучение. Отличие спектральных характеристик для «теплого» и холодного» свечений люминесцентной лампы связано с различным составом люминофоров. К примеру, спектры излучения гало-фосфатных люминофоров при добавлении марганца (Мп) представляют собой теплое свечение, а при добавлении сурьмы ^Ь) холодное.
Преимуществом СИД перед другими источниками кроме светоотдачи, малого энергопотребления, возможности получения любого цвета излучения является также отсутствие нити накала (что обуславливает длительный срок службы, до 100 тысяч часов), отсутствие стеклянной колбы, (определяющее механическую прочность и надёжность), низкое питающее напряжение (до 3В), что обеспечивает высокий уровень безопасности. К их важным достоинствам можно отнести компактность или даже сверхминиатюрность и без-ынерционность, что обеспечивает высокое быстродействие, а так же их экологичность (отсутствие ртутьсодержащих компонентов).
Внедрение нанотехнологий в науку и технику на современном уровне даёт возможность прогнозировать применение пористого кремния (pSi) в будущем для создания светоизлучающих и электрооптических устройств оптоэ-лектроники (в отличие от монокристаллического кремния). По одной из гипотез [1] люминесценция в пористом кремнии происходит от аморфного слоя, присутствующего на поверхности пор.
Представленные результаты разработанного и внедренного спецкурса будут полезны для студентов физико-математических и технических специальностей ВУЗов.
Список литературы:
1. Горячев Д.Н. Свободные люминесцирующие слои пористого кремния / Горячев Д.Н., Беляков Л.В., Сресели О.М. // Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т.44, вып 12. - с. 1636-1639.
