Читать книгу Все науки. №1, 2023. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 4

УДК 621.38

Кулдашов Оббозжон Хокимович

Доктор технических наук, профессор Научно-исследовательского института «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном Университете Узбекистана
Сайфуллаев Хамидулло Тургунбай угли, Болтабоев Жавохир Жахонгир угли
Магистры 2 курса кафедры «Физики полупроводников и полимеров» физического факультета Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека

Научно-исследовательский институт «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном университете Узбекистана

Аннотация. В статье предложен измеритель влажности на полупроводниковых излучателях. Приведены спектральные характеристики влажности и светодиода. Приведена блок схема измерителя влажности на полупроводниковых излучателях.

В измерителе влажности на полупроводниковых излучателях использованы в качестве излучающего диода на опорной длине волне светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (2.2 мкм), а излучающего диода на измерительной длине волны светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (1.94 мкм).

Ключевые слова: оптоэлектроника, спектры, поглощение, светодиоды, фотодиоды, устройство, математическая модель, блок схема, микропроцессорный блок.

Annotation. The article proposes a humidity meter based on semiconductor emitters. The spectral characteristics of humidity and LED are given. A block diagram of a humidity meter on semiconductor emitters is given.

In the humidity meter on semiconductor emitters, LEDs based on GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (2.2 microns) are used as a emitting diode at the reference wavelength, and LEDs based on GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (1.94 microns) are used as a emitting diode at the measuring wavelength.

Keywords: optoelectronics, spectra, absorption, LEDs, photodiodes, device, mathematical model, block diagram, microprocessor unit.

Введение

Основой оптоэлектронных методов и устройств являются излучатели и фотоприемники. Широкое применение оптоэлектронных методов сдерживалось отсутствием простых надежных источников излучения. Появление полупроводниковых источников излучения значительно расширило области применения оптоэлектронных методов и устройств [1].

В настоящее время разработаны и серийно выпускаются полупроводниковые излучатели со спектром излучения, начиная с ультрафиолетового участка до ближнего инфракрасного участка оптического спектра. Практически в настоящее время можно разработать излучатели в диапазоне от 210 до 4000 мкм со спектральными характеристиками, близкими к монохроматическим (с квазимонохроматическими спектральными характеристиками). Особенности полупроводниковых излучателей – высокое быстродействие, возможность управления потоком излучения током, монохроматичность, достаточная мощность излучения и малые габаритные размеры. Наличие таких преимуществ у полупроводниковых излучателей создает предпосылки для исследования и разработки различных устройств контроля, измерения и преобразования для различных областей науки и техники. Отсюда и следует широкий спектр работ в области создания устройств и систем на полупроводниковых излучателях [2].

Основой оптических методов и устройств является наличие излучателя и оптически связанного с ним через среду фотоприемника. Излучение, создаваемое излучателем, пройдя через среду (воздух, вещество и т.д.), воспринимается фотоприемником. В этих методах и устройствах в качестве носителя информации используется оптическое излучение, не создающее электромагнитные помехи и не подверженное влиянию этих помех. Наличие такой особенности и простота приборной реализации создают предпосылки исследования и разработки различных устройств, основанных на применении оптического излучения [3].

Основная часть

Для построения измерителя влагомеров на полупроводниковых излучателях важнқм является свойство воды поглощать ИК – излучение определенной длины волны [4]. Все вещества и материалы обладает определенной гигроскопичностью и, следовательно, поглощают влагу из внешней среды. Анализ спектральных характеристик показал, что полосы поглощения лежат в пределах 0,76…0,97 и 1,19…1,94 мкм [5].

В таблице 1 приведены спектры поглощения воды и их принадлежность.

Из разных спектральных характеристик сухого вещества (рис. 1, кривая 1) и при влажности 9% Н₂О (кривая 2) следует, что на длине волны 1,94 мкм вода обладает значительным поглощением [6]. В измерителе влажности на полупроводниковых излучателях в качестве опорного канала использованы светодиоды со спектрами излучения 2,2 мкм, а в качестве измерительного канал светодиоды со спектрами излучения 1,94 мкм).

Рис. 1. Спектры излучения светодиодов LED1, LED2 и спектральная чувствительность фотодиода PD24.

Разработаны светодиоды на основе полупроводникового соединения GaSb и его твердых растворов GaInAsSb и AlGaAsSb для измерения влажности хлопка – сырца. Светодиодные структуры изготовлены методом ЖФЭ и выращены на подложках GaSb n-типа проводимости, легированы Te до концентрации электронов 8·10¹⁷ см^-3. Излучатели для измерения влажности хлопка-сырца состояли из активного слоя n – GaInAsSb (Eg = 0,51 эВ) толщиной 2—3 мкм и выращены на подложках n – GaSb а также легировались Te до концентрации носителей заряда 9·10¹⁷ см^-3, широкозонный эмиттер p – AlGaAsSb, легирован германием до концентрации 5·10¹⁸ см^-3 (рис.2).

Рис.2. Светодиод на основе GaSb для измерения влажности.

Светодиоды на основе полупроводникового соединения GaSb для измерения влажности хлопка – сырца, при температуре 24 ⁰С имели внешний квантовый выход фотонов 5,9 – 6,5% и оптическую мощность 3,9 мВт в постоянном токе.

Для максимального вывода оптического излучения использован корпус ТО-18 с параболическим отражателем, позволяющий сколлимировать излучение под углом 10—11о. На рис. 3 приведена конструкция ИК – светодиода:

Рис. 3. Светодиод с параболическим рефлектором: а) конструкция, б) спектры излучения, в) ВАХ (где:1 – светодиодный чип (1, 94 мкм), 2 – термохолодильник, 3 – светодиодный чип (2, 2 мкм), 4 – параболический рефлектор)

Светодиоды на основе двойной гетероструктуры GaAlAsSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb, имели квантовый выход 5,8%, длину волны излучения 1,94 мкм для измерения влажности хлопка – сырца, на таблице 2 приведены её основные параметры.

Предложенной конструкции обеспечивается равные условия для двух кристаллов светодиода, таким образом устраняются временные и температурные нестабильности их основных параметров.

На рис. 3 приведена блок-схема цифрового измерителя влажности, которая состоит из следующих элементов: задающей генератор – ЗГ; триггер – Т; делитель частоты – ДЧ; дифференцирующие устройства – ДУ1, ДУ2; модулятор экспоненты – МЭ; эммитерный повторитель – ЭП; импульсный усилитель – ИУ; приемник излучения – ФП; малошумящий усилитель – МШУ; схема совпадения – СС; счетчик – СЧ; дешифратор – ДШ; индикатор – ИН; опорный светодиод – ИД1; измерительный светодиод – ИД2.

Рис.4. Блок схема измерителя влажности на полупроводниковых излучателях

Характерными особенностями измерителя влажности на полупроводниковых излучателях является высокая избирательность, чувствительность, точность и воспроизводимость измерений, а также возможность непрерывного неразрушающего контроля, бесконтактность и экспрессность анализа

Заключение

Для создания измерителя влажности на полупроводниковых излучателях определена оптимальная полоса поглощения, свободная от полосы поглощения мешающих компонентов l₁ = 1.94 мкм.

В оптоэлектронном устройстве использованы в качестве излучающего диода на опорной длине волне светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/ GaAlAsSb (2.2 мкм), а излучающего диода на измерительной длине волны светодиоды на основе GaAlAsSb/GaInAsSb/GaAlAsSb (1.94 мкм).

Абсолютная погрешность результатов измерения содержания влаги составляло 0,5%.

Литература

1. Башкатов А. С., Мещерова Д. Н. «Основные тенденции развития оптоэлектронной техники до 2030 года,» Тезисы докладов Российской конференции и школы молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника-2019», 2019, doi: 10.34077/rcsp2019—25. с.25—26.

2. Богданович М. В. «Измеритель содержания воды в нефти и нефтепродуктах на основе инфракрасных оптоэлектронных пар светодиод-фотодиод,» Журнал технической физики, 2017, doi: 10.21883/jtf.2017.02.44146.1791.

3. Машарипов Ш. М. Анализ современных методов и технических средств измерения влажности хлопковых материалов. // Приборы, 2016, №4., с 31—37.

4. Демьянченко М. А. Поглощение инфракрасного излучения в многослойной болометрической структуре с тонким металлическим поглотителем // Оптический журнал. – 2017. Том 84 – С. 48 – 56.

5. Rakovics V., Именков А. Н., Шерстнев В. В., Серебренникова О. Ю., Ильинская Н. Д., Яковлев Ю. П. «Мощные светодиоды на основе гетероструктур InGaAsP/InP,» fiz. i tekhnika poluprovodn., 2014.Т.48.с.1693—1697.

6. Артёмов В. Г., Волков А. А., Сысоев Н. Н. «Спектр поглощения воды как отражение диффузии зарядов // Известия Российской академии наук. Серия физическая, Известия Российской академии наук. Серия физическая. – 2018. – Т.82. – С. 67 – 71. doi: 10.7868/s0367676518010143.