UA81905C2

UA81905C2 - Optocoupler

Info

Publication number: UA81905C2
Application number: UA20041008155A
Authority: UA
Inventors: Юрий Юрьевич Бачериков; Ольга Тихоновна Хейленко
Original assignee: Юрий Юрьевич Бачериков; Ольга Тихоновна Хейленко
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2008-02-25

Abstract

The invention relates to radio engineering and computer engineering, in particular to photosensitive devices intended for performance functions of noncontact key elements in circuits of automatics systems, computers, automatic control systems etc. Optocoupler consists of a controlled semiconductive light emitter being optically connected one with another. As a photoreceiver it is used photocondenser being composed of two electrodes made of conductive layers deposited on backings, and a photosensitive layer made of an insulator or a semiconductor, or a mix, located between electrodes. The invention provides higher speed and simplify technology of production as to present optocouplers.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід, що пропонується, відноситься до радіоелектроніки і обчислювальної техніки, а саме до 2 світлочутливих пристроїв, які призначені для виконання функцій безконтактних ключових елементів у схемах автоматики, ЕОМ, АСУ і т.д.The proposed invention relates to radio electronics and computer technology, namely to 2 light-sensitive devices that are designed to perform the functions of non-contact key elements in automation circuits, computers, automated control systems, etc.

В якості випромінювача світла в оптопарі може бути використаний світлодіод, електролюмінесцентний випромінювач, а також напівпровідниковий лазер. В якості фотоприймача може бути використаний фоторезистор, фотодіод, фототранзистор чи фототиристор. 70 Відома оптопара під умовним позначенням АОР1Т04А та АОРІ104В |В.Ю. Лавриненко "Справочник по полупроводниковь!м приборам", Киев, "Техника", 1980), яка має широке застосування у промисловості. У якості випромінювача світла в ній виступає інжекційний випромінюючий діод, а у якості фотоприймача - фоторезистор.An LED, an electroluminescent emitter, and a semiconductor laser can be used as a light emitter in an optocoupler. A photoresistor, photodiode, phototransistor or photothyristor can be used as a photoreceiver. 70 The well-known optocoupler under the conventional designation AOR1T04A and AOR104B |V.Yu. Lavrynenko "Handbook of semiconductor devices", Kyiv, "Tehnika", 1980), which is widely used in industry. An injection emitting diode acts as a light emitter, and a photoresistor acts as a photoreceiver.

Фоторезистор - це напівпровідниковий резистор, опір якого залежить від освітлення. Основною частиною конструкції є напівпровідниковий фоточутливий шар, який нанесено на діелектричну підкладинку. При освітленні 79 фоточутливого шару виникає фотострум, що замикає електричний ланцюг приладу.A photoresistor is a semiconductor resistor whose resistance depends on illumination. The main part of the structure is a semiconductor photosensitive layer, which is deposited on a dielectric substrate. When the photosensitive layer 79 is illuminated, a photocurrent occurs, which closes the electrical circuit of the device.

Важливою позитивною якістю відомої оптопари є можливість безконтактного (оптичного) управління електронними об'єктами, різноманітність та гнучкість конструкторських рішень управління. До недоліків цього приладу відносяться збільшення температури всього світлочутливого шару у фоторезисторі внаслідок великої потужності, що виділяється, особливо якщо мала відстань між електродами. Ця обставина не дозволяє створити мініатюрний пристрій оптопари. Крім того, зі збільшенням освітленості зменшується час життя носіїв заряду і, таким чином, довговічність приладу. Це відбувається через збільшення концентрації іонізованих атомів в напівпровіднику, які збільшують розсіяння носіїв заряду ІВ .В. Пасьнков, Л.К. Чиркин, А.Д. Шинков "Полупроводниковье приборь!", М., "Внісшая школа", 1981, с. 3391.An important positive quality of the well-known optocoupler is the possibility of non-contact (optical) control of electronic objects, the variety and flexibility of control design solutions. The disadvantages of this device include an increase in the temperature of the entire light-sensitive layer in the photoresistor due to the large power emitted, especially if the distance between the electrodes is small. This circumstance does not allow creating a miniature optocoupler device. In addition, with increasing illumination, the lifetime of the charge carriers decreases and, thus, the durability of the device. This happens due to an increase in the concentration of ionized atoms in the semiconductor, which increase the scattering of charge carriers IV .V. Pasnkov, L.K. Chirkin, A.D. Shinkov "Semiconductor device!", M., "Vnisshaya shkola", 1981, p. 3391.

Найбільш близькою за конфігурацією з оптопарою, що заявляється, є також широко використовувана у с промисловості оптопара, де у якості фотоприймача використовується фотодіод. Умовне позначення діодних ге) оптопар: АОД 101 А, АОД 101 Б и АОД 101 В ІВ.Ю. Лавриненко "Справочник по полупроводниковьім приборам",The closest in configuration to the claimed optocoupler is the optocoupler widely used in industry, where a photodiode is used as a photoreceiver. Conventional designation of diode optocouplers: AOD 101 A, AOD 101 B and AOD 101 V IV.Yu. Lavrynenko "Handbook on semiconductor devices",

Киев, "Техника", 1980).Kyiv, "Technique", 1980).

В якості випромінювача світла тут також використаний інжекційний випромінюючий діод, а у якості фотоприймача - фотодіод. ююAn injection emitting diode is also used here as a light emitter, and a photodiode is used as a photoreceiver. i am

Фотодіод - це діод з р-п-переходом, зміщеним у зворотному напрямі з зовнішнім джерелом живлення. При о поглинанні квантів світла в р-п-переході чи у прилягаючих до нього областях кристалу напівпровідника створюються нові носії заряду (пари електрон-дірка). Сила зворотного струму, що створюється, прямо Ме, пропорційна освітленню. «-A photodiode is a diode with a p-p junction reverse-biased with an external power source. New charge carriers (electron-hole pairs) are created when light quanta are absorbed in the p-p transition or in the adjacent regions of the semiconductor crystal. The strength of the reverse current created, directly Me, is proportional to the illumination. "-

Перевагою оптопари з фотодіодом у якості фотоприймача є незалежність чутливості фотодіода від напруги, 325 що прикладається, а також його мала інерційність, висока швидкодія. Однак, для одержання вихідних сигналів с необхідної амплітуди треба доповнювати фотодіод підсилювачем, що збільшує габарити схеми ІВ.В.Польшков,The advantage of an optocoupler with a photodiode as a photoreceiver is the independence of the sensitivity of the photodiode from the applied voltage, as well as its low inertia and high speed. However, to obtain output signals with the required amplitude, the photodiode must be supplemented with an amplifier, which increases the dimensions of the I.V. Polshkov circuit,

Л.К. Чиргин, А.О. Шинков. Полупроводниковье приборьі. М. "Внісшая школа". 1981 г. с. 343). А ця обставина не дає можливості мініатюризації конфігурації оптопари та її застосування в інтегральних мікросхемах як елементу. «L.K. Chirgyn, A.O. Shinkov. Semiconductor devices. M. "Nnisshaya school". 1981, p. 343). And this circumstance does not make it possible to miniaturize the configuration of the optocoupler and its use in integrated microcircuits as an element. "

В основу винаходу поставили задачу створення фоточутливого приладу - оптопари, який був би більш 70 простим і дешевим за конструкцією та більш малогабаритним з більш високою швидкодією. о, с Поставлена задача вирішується тим, що оптопара, яка включає керований напівпровідниковий випромінювач з» світла та фотоприймач випромінювання, які оптично зв'язані один з одним, у якості фотоприймача містить фотоконденсатор, що складається з двох електродів у вигляді струмопровідних шарів, нанесених на підкладинки, та світлочутливого шару, який знаходиться між електродами і виготовлений з діелектрика, напівпровідника або їх суміші, котрі змінюють свою діелектричну проникність під дією оптичного опромінювання. со Принципова схема запропонованого пристрою зображена на фіг.1. Конструктивно оптопара може бути - виконана у наступних варіантах: 1. Струмопровідні шари фотоконденсатора і підкладинки виготовлені прозорими. Підкладинки плоскі та с тверді. о 20 2. Струмопровідні шари фотоконденсатора і підкладинки виготовлені непрозорими. Підкладинки плоскі та тверді. «сл З. Струмопровідні шари фотоконденсатора і підкладинки виготовлені прозорими. Підкладинки гнучкі, згорнуті у рулон. 4. Струмопровідні шари фотоконденсатора і підкладинки виготовлені непрозорими. Підкладинки гнучкі, 25 згорнуті у рулон.The invention was based on the task of creating a photosensitive device - an optocoupler, which would be more simple and cheap in design and more compact with higher speed. о, с The problem is solved by the fact that the optocouple, which includes a controlled semiconductor emitter of light and a photoreceiver of radiation, which are optically connected to each other, as a photoreceiver contains a photocapacitor consisting of two electrodes in the form of conductive layers deposited on the substrate and the light-sensitive layer, which is located between the electrodes and is made of a dielectric, a semiconductor, or a mixture thereof, which change their dielectric constant under the influence of optical irradiation. The schematic diagram of the proposed device is shown in Fig. 1. Structurally, the optocoupler can be made in the following variants: 1. The photocapacitor's current-conducting layers and substrates are made transparent. The pads are flat and hard. o 20 2. The current-conducting layers of the photocapacitor and the substrate are made opaque. The pads are flat and solid. "sl C. The current-conducting layers of the photocapacitor and the substrate are made transparent. The pads are flexible, folded into a roll. 4. The conductive layers of the photocapacitor and the substrate are made opaque. The pads are flexible, 25 folded into a roll.

Ге! У фотоконденсатор! електроди розміщуються як у звичайному конденсаторі, що дозволяє при його виготовленні використовувати стандартні технології, розроблені для виготовлення конденсаторів. ко Оптопара працює наступним чином: при поданні електричного сигналу на випромінювач світла електричний сигнал перетворюється у оптичне випромінювання, а у фотоприймальнику (фотоконденсаторі) оптичний сигнал, 60 діючи на фоточутливий шар, виготовлений з діелектрика, напівпровідника або їх суміші, тягне зміну діелектричної проникності, яка залежить від спектрального складу та інтенсивності падаючого на нього випромінювання. Зміна діглектричної проникності змінює ємність фотоконденсатора, яка миттєво реєструється.Gee! In the photocapacitor! the electrodes are placed as in a conventional capacitor, which allows its manufacture to use standard technologies developed for the manufacture of capacitors. The optocoupler works as follows: when an electric signal is applied to the light emitter, the electric signal is converted into optical radiation, and in the photoreceiver (photocapacitor), the optical signal, 60 acting on the photosensitive layer made of a dielectric, a semiconductor, or a mixture thereof, causes a change in dielectric permittivity, which depends on the spectral composition and intensity of the radiation falling on it. A change in dielectric permittivity changes the capacity of the photocapacitor, which is instantly recorded.

Оптопара, що заявляється, має суттєві переваги перед існуючими оптопарами. Внаслідок того, що запропонований фотоприймач не виробляє фотострум, який викликає збільшення температури внаслідок бо великої потужності, що виділяється, між фотовипромінювачем і фотоприймачем не потрібна велика відстань і не потрібен тепловідвід. Це дозволяє зменшити розміри запропонованого приладу. Отже, є можливість мініатюризації оптопари, що дозволяє включити Її до контрукції інтегральних мікросхем як елемент, а також створювати на її (оптопари) основі інтегральні мікросхеми з новими можливостями.The proposed optocoupler has significant advantages over existing optocouplers. Due to the fact that the proposed photodetector does not produce a photocurrent that causes an increase in temperature due to the high output power, a large distance is not required between the photoemitter and the photodetector and no heat sink is required. This allows to reduce the dimensions of the proposed device. So, there is a possibility of miniaturization of the optocoupler, which allows to include it in the design of integrated microcircuits as an element, as well as to create integrated microcircuits with new capabilities on its (optocoupler) basis.

Крім того оптопара, що заявляється, має більшу швидкодію. Це пояснюється тим, що реєстрація сигналу, одержаного від оптопари, відбувається одразу після збудження носіїв заряду. В існуючих же оптопарах після збудження носіїв заряду світлом електрони повинні пройти відстань через увесь світлочутливий шар до одного з електродів.In addition, the proposed optocoupler has a higher speed. This is explained by the fact that the registration of the signal received from the optocoupler occurs immediately after the excitation of the charge carriers. In existing optocouplers, after the charge carriers are excited by light, the electrons must travel a distance through the entire light-sensitive layer to one of the electrodes.

Таким чином, усе вищезазначене доводить переваги оптопари по малогабаритності, простоті конструкції та 70 швидкодії.Thus, all of the above proves the advantages of the optocoupler in terms of small size, simplicity of construction and 70 speed of operation.

Приклади реалізації. Вар. 1, фіг.2.Implementation examples. Var. 1, fig. 2.

Оптапара містить фотовипромінювач і фотоприймач у вигляді плоского конденсатора, який складається з твердих (скляних) пластин 1 з нанесеним прозорим струмопровідним шаром 2, між якими розміщено світлочутливий матеріал 3. До струмопровідних шарів прикріплені контакти 4, до яких підключаються провідники, /5 по яким подається до певного приладу сигнал зміни ємності при попаданні світла на фотоконденсатор.The optocoupler contains a photoemitter and a photoreceiver in the form of a flat capacitor, which consists of solid (glass) plates 1 with a transparent conductive layer 2 applied, between which a light-sensitive material 3 is placed. Contacts 4 are attached to the conductive layers, to which conductors are connected, /5 through which the to a certain device, a signal of a change in capacity when light hits the photocapacitor.

Фотоконденсатор розміщенний в оптопарі таким чином, що світло падає перпендикулярно площині скляних пластин. Варіант 2, фіг.3.The photocapacitor is placed in the optocoupler in such a way that the light falls perpendicular to the plane of the glass plates. Option 2, Fig. 3.

Оптапара містить той же фотовипромінювач, а фотоконденсатор складається з двох твердих непрозорих пластин 1 з нанесеним непрозорим струмопровідним шаром 2, між якими розміщено світлочутливий матеріал 3. Фотоконденсатор розміщенний в оптопарі таким чином, що світло падає на його торець.The optocoupler contains the same photoemitter, and the photocapacitor consists of two solid opaque plates 1 with an applied opaque conductive layer 2, between which a light-sensitive material 3 is placed. The photocapacitor is placed in the optocoupler in such a way that light falls on its end.

Варіант 3, фіг.4 та фіг.5.Option 3, Fig. 4 and Fig. 5.

Оптапара містить той же фотовипромінювач, а фотоконденсатор складається з двох прозорих гнучких пластин (полімерні плівки) 1 з нанесеним прозорим струмопровідним шаром 2, між якими розміщено світлочутливий матеріал 3. Такий конденсатор згорнуто у рулон і розміщено його у оптопарі так, що світло с ов падає на його бічну поверхню. Варіант 4, фіг.б та фіг.7.The optocoupler contains the same photoemitter, and the photocapacitor consists of two transparent flexible plates (polymer films) 1 with an applied transparent conductive layer 2, between which a light-sensitive material 3 is placed. Such a capacitor is rolled into a roll and placed in the optocoupler so that light falls evenly on its side surface. Option 4, fig. b and fig. 7.

Оптапара містить той же фотовипромінювач, а фотоконденсатор складається з двох непрозорих гнучких о пластин з нанесеним непрозорим струмопровідним шаром, між якими розміщено світлочутливий матеріал.The optocoupler contains the same photoemitter, and the photocapacitor consists of two opaque flexible plates with an opaque conductive layer applied, between which a light-sensitive material is placed.

Конденсатор згорнуто у рулон і розміщено у оптопарі так, що світло падає в торець рулону.The capacitor is rolled into a roll and placed in the optocoupler so that the light falls on the end of the roll.

Приклади розміщення оптопари, що заявляється, у складі мікросхеми зображено на фіг.8, фіг.9, фіг.10. На ю зо фіг.8 зображені: напівпровідниковий лазер - 1, фото конденсатор - 2. На фіг.9, 10 зображено можливі способи розміщення фотоприймачів на підкладці (на фіг.9 - 3, фіг.10 - 2) у випадку двох випромінювачів світла (на о фіг.9 - 1, 2), та коли фотоприймач розміщений по колу (фіг.10). бExamples of placement of the claimed optocoupler in the microcircuit are shown in Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10. On the right side of Fig. 8 are shown: semiconductor laser - 1, photo capacitor - 2. Figs. 9, 10 show possible ways of placing photo receivers on the substrate (in Fig. 9 - 3, Fig. 10 - 2) in the case of two light emitters (on fig. 9 - 1, 2), and when the photo receiver is placed in a circle (fig. 10). b

Claims

"-- Formulation of the invention 35 so Optocouple, containing a controlled semiconductor light emitter and a photoreceiver of radiation, which are optically connected to each other, which is characterized by the fact that as a photoreceiver it contains a photocapacitor, which consists of two electrodes made of conductive layers applied on the substrate, and "the light-sensitive layer, which is located between the electrodes and is made of a dielectric or a semiconductor, 7c or their mixture, which changes its dielectric constant under the influence of optical irradiation. with so - (Se)

about (l

F) co

60 b5