CN111123759A - 一种uvc紫外led控制的纳米线光隔离器及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于光电隔离器技术领域，提供了一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺，包括UVC紫外LED光源、砷化铟纳米线和单片机，不仅改进了传统光隔离器中二极管和三极管没有放大能力或者放大的倍数有限的缺点、同时还使增益也得到了大幅度的提升，砷化铟纳米线因为拥有较小的体积，所以使整个装置可靠性更高，整个纳米线装置中，在LED端，用UVC紫外LED作为一个光源，其优点是它的日盲波段在大气层受干扰最小，所以不会误触发整个装置，使得整个光隔离器装置可以更加广泛的运用到各个领，本发明为纳米线光隔离器的研究提供了一个可行的探索思路，开辟大型设备和大规模工艺线间电路开关的应用前景，促进了光电信息交流。

Description

一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺
技术领域
本发明属于光电隔离器的技术领域，尤其涉及一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺。
背景技术
光电隔离器亦称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
光隔离器其特点是高隔离度、低插损；高可靠性、高稳定性；传统的光隔离器仍有很多缺点。在传统的光隔离器中，最开始由二极管光信号接收器，但是二极管并没有放大能力；随着光隔离器的发展，后来用三极管替代二极管作为为光信号接收器，尽管三极管拥有放大能力，可以实现一定的增益，但是三极管的放大能力是十分有限的。此外，用三极管作为接收器的话，会导致电路过于复杂；三极管由于本身耗电过大，需要多个电源去为它供电，导致整个装置不是很稳定。
发明内容
本发明提供一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺，旨在解决现有技术存在的问题。
请参阅图1-3，本发明是这样实现的，一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺，包括UVC紫外LED光源、砷化铟纳米线和单片机；
所述UV紫外LED光源位于所述砷化铟纳米线的一侧，所述UV紫外LED光源打开时，其射出的光线朝向所述砷化铟纳米线，所述砷化铟纳米线和所述UV紫外LED光源均电连接所述单片机。
本发明还提供优选的，所述单片机包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，所述晶振电路、复位电路均电连接所述51单片机，所述电源用于向所述51单片机、复位电路和所述晶振电路提供电力。
本发明还提供优选的，所述51单片机与所述砷化铟纳米线相并联。
本发明还提供优选的，还包括外电路，所述外电路与所述51单片机和所述砷化铟纳米线相并联。
本发明还提供一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，其适用于上述任意一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，包括以下步骤：
1)将砷化铟纳米线整合入该光隔离器中光电探测器一端，砷化铟纳米线的作用是获得-105光电导增益以及非常短的快速响应时间并且通过自身控制单片机；
2)将UVC紫外LED连接单片机的LED端，作为控制光源，该LED作用是激发砷化铟纳米线中的负光电导效应；
3)向单片机输入一个偏置电压，该偏置电压的作用是给单片机的一端提供一个高电平以及为整个电路装置提供电压。
本发明还提供优选的，所述砷化铟纳米线具有源端、光电门层、核层、漏端和地表。
本发明还提供优选的，所述砷化铟纳米线的源端接地，所述砷化铟纳米线的Vgs端连接所述偏置电压，所述砷化铟纳米线的Vds端连接单片机。
本发明还提供优选的，步骤1)中，单片机包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，并将所述晶振电路、复位电路和电源均电连接所述51单片机，再将电源电连接所述晶振电路和所述复位电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的纳米线光隔离器不仅改进了传统光隔离器中二极管和三极管没有放大能力或者放大的倍数有限的缺点、同时还使增益也得到了大幅度的提升，砷化铟纳米线因为拥有较小的体积，所以使整个装置可靠性更高，整个纳米线装置中，在LED端，用UVC紫外LED作为一个光源，其优点是它的日盲波段在大气层受干扰最小，所以不会误触发整个装置，使得整个光隔离器装置可以更加广泛的运用到各个领，本发明为纳米线光隔离器的研究提供了一个可行的探索思路，开辟大型设备和大规模工艺线间电路开关的应用前景，促进了光电信息交流，对光电子学与光电工程领域的发展起到了推动作用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的砷化铟纳米线的结构示意图。
图3为本发明的单片机的结构示意图。
图中：1-高电平、2-UVC紫外LED光源、3-砷化铟纳米线、4-外电路、5-单片机、6-偏置电压。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种技术方案：一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器及其制作工艺，UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器包括：UVC紫外LED光源2、砷化铟纳米线3、外电路4和单片机5。
UV紫外LED光源2位于砷化铟纳米线3的一侧，UV紫外LED光源2打开时，其射出的光线朝向砷化铟纳米线3，砷化铟纳米线3和UV紫外LED光源2均电连接单片机5，外电路与51单片机和砷化铟纳米线3相并联。单片机5包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，晶振电路、复位电路均电连接51单片机，电源用于向51单片机、复位电路和晶振电路提供电力，51单片机与砷化铟纳米线3相并联。砷化铟纳米线3可以获得超高光电导增益以及非常短的快速响应时间。UV紫外LED光源2可以使它的日盲波段在大气层受干扰最小，不会误触发整个装置。使用者能够通过在51单片输入预设的C语言程序以控制整个电路，当有光照条件时，B点为高电平1，A点因为有电压一直都是高电平1，A点B点没有电平差，此时，51单片机那一路没有电流流过，处于断开状态，外电路就会有电流流过，处于工作状态，整个光隔离器电路是闭合的，当没有光照条件时，点A就为低电平0，点A与点B之间有电平差，此时，51单片机那一路是闭合状态，整个电路的电流不流过后面的外电路，此时外电路处于非工作状态，整个光隔离器电路是断开的。当有光照条件时，若要使整个电路既可以处于闭合状态，也可以处于断开状态，只需要在51单片机驱动程序端设置延时，就可以满足当满足有光照条件时，既实现了整个装置既可以关闭，也可以打开的功能，51单片机内部具体结构有中央处理单元、只读存储器、随机存取内存、并行输入/输出口、串行输入/输出口、定时器、时钟电路、中断电路等。
在本发明的光隔离器中，采用砷化铟纳米线3代替光电探测器中的二极管。砷化铟纳米线3是由化学气相沉积生长而成的核/壳状n型，砷化铟纳米线3具有源端、光电门层、核层、漏端和地表。光照条件下，若光生电子迁移至砷化铟纳米线3的壳层并被俘获而光生空穴留在砷化铟纳米线3的核层内，则光生空穴将和砷化铟纳米线3中原有的自由电子复合，降低自由电子浓度。通过控制砷化铟纳米线3的生长，在砷化铟纳米线3表面附近形成自组装的光电门层，即PGL。PGL的关键功能是在光照下捕获核心产生的电子。被束缚在PGL中的电子形成一个内置的电子场来调节核心电导，这就是光门效应。此外，砷化铟纳米线3中还具有正光电导和负光电导效应，其中负光电导由砷化铟纳米线3丰富的表面态引起，可用photogating效应解释。光照条件下，若光生电子迁移至砷化铟纳米线3的壳层并被俘获而光生空穴留在纳米线的核层内，则光生空穴将和砷化铟纳米线3中原有的自由电子复合，降低自由电子浓度。
砷化铟纳米线3中的负光电导并不随入射光功率的增加单调地下降，而是先下降后上升，并且电导率随入射光功率增加下降的快慢和砷化铟纳米线3的直径相关，直径越小，电导率下降越不明显。另外一个在负光电导砷化铟纳米线光电探测器观察到的现象是电导因光诱导热电子俘获而受到抑制，在室温下经过光照后能快速恢复，低温下几乎完全绝缘，但通过施加负栅极电压脉冲后可以恢复。
本发明提供的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，包括以下步骤：
1)将砷化铟纳米线3整合入该光隔离器中光电探测器一端，砷化铟纳米线3的作用是获得-105光电导增益以及非常短的快速响应时间并且通过自身控制单片机5，砷化铟纳米线3具有源端、光电门层、核层、漏端和地表，砷化铟纳米线3的源端接地，砷化铟纳米线3的Vgs端连接偏置电压6，砷化铟纳米线3的Vds端连接单片机5。
砷化铟纳米线3的在进行制作时，用传统的化学气相沉积生长n型砷化铟纳米线。并设置通道材料3.5μm长度和直径40nm。采用电子束光刻、金属化、发射等工艺制备源/漏电极(15nmCr、60nmAu)，并用SiO2作为砷化铟纳米线的地表。通过控制纳米线的生长，在纳米线表面附近形成自组装的光电门层。通过控制室内的生长源温和压力，在纳米线地表附近生长出完美单晶核和高度缺陷壳层。
单片机5包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，并将晶振电路、复位电路和电源均电连接51单片机，再将电源电连接晶振电路和复位电路。51单片机可以通过设置延时，来实现延时触发的功能。
2)将UVC紫外LED光源2连接单片机5的LED端，作为控制光源，该LED作用是激发砷化铟纳米线3中的负光电导效应，可以使它的日盲波段在大气层受干扰最小，不会误触发整个装置。
3)向单片机5输入一个偏置电压6，该偏置电压6的作用是给单片机5的一端提供一个高电平以及为整个电路装置提供电压。
当有光照条件时，若要使整个电路既可以处于闭合状态，也可以处于断开状态，只需要在51单片机驱动程序端设置延时，就可以满足当满足有光照条件时，既实现了整个装置既可以关闭，也可以打开的功能。
在探测回路里，光电探测器端用STC89C52的51单片机与砷化铟纳米线3并联，由于采用51单片机的I/O口的高低电平控制开关切换，因为A点与整个电路的偏置电压直接相连接，无论有或者没有光照，A点处一直都是高电平1。在有光照条件下，由于砷化铟纳米线3电阻很小，可忽略不计，所以B点也会是一个高电平1，这样两点之间都有相同的高电平1，点A和点B的电平差值为0，此时51单片机处于断路状态，外电路就会处于工作状态，在没有光照条件下，此时该砷化铟纳米线3的电阻非常大，处于高阻状态，B点就为低电平0，这样两点之间的电平差值为1，此时51单片机处于闭合状态，外电路就会处于断路状态。
接着在51单片机中烧入一个C语言控制程序，这种C语言控制程序可以根据自己的需要去烧入。
最后在51单片机驱动程序端设置延时，可以在C语言控制程序中调用一个delay函数，这种函数就是延时函数，可以根据自己延时多久去设置该函数。在有光照的条件下，由于点A和点B没有电平差，整个装置就会处于工作状态，如果在C语言控制程序中调用一个delay函数，使其延时触发，这样即可以满足有光照条件时，实现该装置既可以关闭，也可以打开的功能。整个装置实现的方式如下，在光照条件下，砷化铟纳米线3本身电阻非常小，呈低阻状态，此时，51单片机处于断路状态，电流流过外电路，这样在有光照条件下，砷化铟纳米线3就能使整个光隔离器处于工作状态，在没有光照条件下，砷化铟纳米线3本身呈高阻状态，此时，51单片机就处于闭合状态，电流不流过外电路，这样，在没有光照条件下，砷化铟纳米线3就能使整个光隔离器处于非工作状态，若要使得在有光照条件下，整个光隔离器也能处于非工作状态，只需要在驱动程序端设置一定的延时，使该单片机5延时触发，这样，在有光照条件下，就可以实现整个光隔离器既可以处于工作状态，也可以处于非工作状态。
综上，本发明为改进传统的光隔离器提供了一种行之有效的方法及其装置，在室温下获得了约-105的高光电导增益以及非常短的快速响应时间，在有光信号进入时，由于砷化铟纳米线3本身的负光电导效应，使得该砷化铟纳米线3的电阻值下降5个数量级，以此就能实现-105光电导增益。这些砷化铟纳米线3为CVD生长，表面为非晶、无序的组分，但砷化铟纳米线3内部晶格质量良好。该砷化铟纳米线3在空气和真空条件下均表现出良好的性能。此外，砷化铟纳米线3制作工艺简便，价格廉美，且非常灵活。相较于传统的光隔离器，本发明的纳米线光隔离器不仅改进了传统光隔离器中二极管和三极管没有放大能力或者放大的倍数有限的缺点、同时还使增益也得到了大幅度的提升。砷化铟纳米线3因为拥有较小的体积，所以使整个装置可靠性更高。整个光隔离器中，在LED端，用UVC紫外LED光源2作为一个光源，其优点是它的日盲波段在大气层受干扰最小，所以不会误触发整个装置，使得整个光隔离器器可以更加广泛的运用到各个领域。本发明为纳米线光隔离器的研究提供了一个可行的探索思路，开辟大型设备和大规模工艺线间电路开关的应用前景，促进了光电信息交流，对光电子学与光电工程领域的发展起到了推动作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，其特征在于：包括UVC紫外LED光源(2)、砷化铟纳米线(3)和单片机(5)；
所述UV紫外LED光源(2)位于所述砷化铟纳米线(3)的一侧，所述UV紫外LED光源(2)打开时，其射出的光线朝向所述砷化铟纳米线(3)，所述砷化铟纳米线(3)和所述UV紫外LED光源(2)均电连接所述单片机(5)。
2.如权利要求1所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，其特征在于：所述单片机(5)包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，所述晶振电路、复位电路均电连接所述51单片机，所述电源用于向所述51单片机、复位电路和所述晶振电路提供电力。
3.如权利要求2所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，其特征在于：所述51单片机与所述砷化铟纳米线(3)相并联。
4.如权利要求2所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，其特征在于：还包括外电路，所述外电路与所述51单片机和所述砷化铟纳米线(3)相并联。
5.一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，其适用于上述权利要求1至4任意一项一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器，其特征在于：包括以下步骤：
1)将砷化铟纳米线(3)整合入该光隔离器中光电探测器一端，砷化铟纳米线(3)的作用是获得-105光电导增益以及非常短的快速响应时间并且通过自身控制单片机(5)；
2)将UVC紫外LED光源(2)连接单片机(5)的LED端，作为控制光源，该LED作用是激发砷化铟纳米线(3)中的负光电导效应；
3)向单片机(5)输入一个偏置电压(6)，该偏置电压(6)的作用是给单片机(5)的一端提供一个高电平以及为整个电路装置提供电压。
6.如权利要求5所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，其特征在于：所述砷化铟纳米线(3)具有源端、光电门层、核层、漏端和地表。
7.如权利要求6所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，其特征在于：所述砷化铟纳米线(3)的源端接地，所述砷化铟纳米线(3)的Vgs端连接所述偏置电压(6)，所述砷化铟纳米线(3)的Vds端连接单片机(5)。
8.如权利要求5所述的一种UVC紫外LED控制的纳米线光隔离器的制作工艺，其特征在于：步骤1)中，单片机(5)包括51单片机、电源、复位电路和晶振电路，并将所述晶振电路、复位电路和电源均电连接所述51单片机，再将电源电连接所述晶振电路和所述复位电路。
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