Понятия о оптоэлектронных приборах

Фотоэлектрическими называют электронные приборы, преобра­зующие энергию излучения в электрическую энергию. Такие при­боры могут строиться на фотоэффекте как в вакууме или газе, так и в полупроводнике. В настоящее время наибольшее распро­странение получили фотоэлектрические приборы, принцип дей­ствия которых основан на внутреннем фотоэффекте в полупровод­нике. Суть его заключается в увеличении концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего света, а следовательно, и проводимости полупроводниковых материалов. Получаемая та­ким образом проводимость называется фотопроводимостью. Она сочетается с собственной проводимостью полупроводникового ма­териала. Фотопроводимость зависит от интенсивности и спектраль­ного состава внешнего светового потока.

Внутренний фотоэффект может быть реализован в различных типах полупроводниковых приборов. Рассмотрим основные из них.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое со­противление которого изменяется в зависимости от интенсивности испектрального состава внешнего излучения. На рис. 3.16 пока­заны условное обозначение и типовые ВАХ фоторезистора для нескольких значений светового потока Ф. При отсутствии внеш­него светового потока (Ф = 0) сопротивление фоторезистора ве­лико и определяется собственной проводимостью полупроводни­кового материала. Ток, обусловленный собственной проводимо­стью, называется темновым . Под действием светового потока сопротивление фоторезистора уменьшается. В этом случае ток на­зывается световым . Разность между световым и темновым то­ками составляет фототок . Конструктивно фоторезисторы выпол­няют в металлическом или пластмассовом корпусе с прозрачным окном, под которым расположен полупроводниковый материал.

 

В настоящее время применяется два вида маркировки фоторезистора: ста­рый и новый. Старый содержит три символа. Первый символ — буквы ФС (фо­тосопротивление). Второй символ — буква, указывающая тип светочувствитель­ного материала: А — сернистый свинец, К — сернистый кадмий, Д — селенид кадмия. Третий символ — цифра, обозначающая тип конструктивного исполнения. В новой маркировке буквы ФС заменены на СФ — сопротивление фоточув­ствительное, а тип. светочувствительного материала обозначается цифрой, напри­мер СФ2-4.

Фотодиод по структуре аналогичен обычному полупроводнико­вому диоду. Отличие состоит в том, что его корпус снабжен допол­нительной линзой, создающей внешний световой поток, направ­ленный, как правило, перпендикулярно плоскости р-n-перехода (рис. 3.17, а). Прибор может работать в режимах фотопреобразо­вателя и фотогенератора (рис. 3.17, б).

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают внешний источник питания (рис. 3.17, в), обеспечивающий обрат­ное смещение р-n-перехода. Если переход не освещен, то создается обратный темновой ток. При освещении перехода к темновому току добавляется" фототок, значение которого не зависит от при­ложенного напряжения и пропорционально интенсивности свето­вого потока Ф (см. рис. 3.17, б).

В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фото-ЭДС (рис. 3.17, г), значение которой пропорционально интен­сивности светового потока. Типовое значение фото-ЭДС кремниевого фотодиода составляет 0,5... 0,55 В, а значение тока короткого замыкания при среднем солнечном освещении равно 20...25 мА/см².

Маркировка фотодиода содержит буквы ФД (фотодиод) и цифру (порядковый номер разработки, например ФД-3).

Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре бипо­лярного транзистора (рис. 3.18, а). Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного р-n-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители за­ряда притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллек­тора, так как уход из базы неосновных носителей создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В ре­зультате происходит увеличение количества носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзи­сторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом.

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным (см. рис. 3.18, б). Вольтамперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного тран­зистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Отличие со­стоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф (рис. 3.18,в).

Внутренний фотоэффект в полупроводнике может быть исполь­зован для построения и других полупроводниковых приборов: фототиристора, однопереходного фототранзистора и др. Следует отметить, что широкого самостоятельного применения приборы с внутренним фотоэффектом не получили. Объясняется это тем, что значение фототока зависит не только от интенсивности светового потока, но и от его спектрального состава. Изменение последнего приводит к неоднозначным результатам в работе устройств, содер­жащих указанные приборы. Этого недостатка лишены оптоэлектронные приборы (оптопары).

Оптоэлектронный прибор содержит одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и вы­ходным параметром является электрический сигнал, причем галь­ваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфра­красный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцент­ный излучатель или полупроводниковый лазер. Наибольшее рас­пространение в настоящее время получил инфракрасный излучаю­щий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким КПД. В качестве приемника оптопары находят приме­нение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторе­зистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформа­тора, что является особенно актуальным в интегральной микро­электронике. Условные обозначения оптопары, включающей раз­личные приемники, приведены на рис. 3.19.

Для усиления и согласования выходного сигнала оптопары со стандартным уровнем напряжения, используемым для передачи и преобразования цифровых сигналов, служат оптоэлектронные ИС.

В них применяются, как правило, диодная оптопара (обладающая максимальным быстродействием) и импульсный усилитель. На рис. 3.20 показана принципиальная электрическая схема одного из таких устройств

 

 

Маркировка оптопар включает семь символов. Первый обозначает исход­ный материал (обычно это буква А — соединение галлия — или цифра 3 — для приборов специального назначения). Второй символ — буква О - оптопара. Тре­тий символ указывает тип приемника оптопары: Д — диод, Т — транзистор, У — тиристор, Р — с открытым оптическим каналом. Четвертый, пятый и шестой символы указывают номер прибора. Седьмой символ — буква, обозначающая классификацию по группам параметров.

Примеры маркировки:

АОД 130А - оптопара диод-диод на основе соединения галлия, номер при­бора 130, группа параметров А;

АОТ 110А — оптопара диод-транзистор на основе соединения галлия, номер прибора 110, группа параметров А;

АОУ 115А - оптопара диод-тиристор на основе соединения галлия, номер прибора 115, группа параметров А.

Элементы оптоэлектроники.

 

Оптоэлектроника – это раздел электроники, в котором изучаются вопросы генерации, передачи и хранения информации на основе совместного использования оптических и электрических явлений. Элементная база:

1. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы – преобразователи световой энергии в электрическую.

2. Светодиодные оптоизлучатели– преобразователи электрической энергии в световую.

3. Оптоэлектрические пары (оптопары, оптроны) – приборы для электрической изоляции при передаче информации по световому каналу.

Обратный ток утечки в p-n переходе обусловлен неосновными носителями. Обычно пары электрон-дырка образуются за счет тепловой энергии. Но если на p-n переход падает свет, то это приводит к значительному увеличению концентрации неосновных носителей. Электроны и дырки, освобожденные энергией фотонов, вызывают значительное увеличение обратного тока утечки.

Фотодиод – это p-n переход, помещенный в корпус с прозрачным окном. Обычно такой диод работает со смещением в обратном направлении и типичное значение его тока в темноте равно 1нА. При освещении с интенсивностью 1мВт/см² ток увеличивается до 1 мкА. Такую интенсивность дает лампа мощностью 60 Вт на расстоянии 30 см. Изображение фотодиода на электрических схемах показано на рис.152а.

а) б) в)

Рис. 152.

Фототранзистор – это обычный транзистор с прозрачным окном в корпусе. Когда свет падает на транзистор, в обоих p-n переходах освобождаются неосновные носители, но увеличение фототока дают те из них, которые образуются у смещенного в обратном направлении перехода коллектор-база. Как тепловой ток утечки I_КО перехода коллектор-база усиливается транзистором и дает больший ток утечки коллектор-эмиттер, так же усиливается и фототок. Чувствительность фототранзисторов обычно в сто раз выше, чем у фотодиода. Базовый вывод у фототранзистора часто не используется. Изображение фототранзистора на электрических схемах показано на рис.152б.

Светодиоды – это полупроводниковые диоды на основе фосфида галлия и арсенида галлия, которые излучают свет при протекании прямого тока. Обычно прямой ток составляет 5…80 млА и для ограничения его последовательно с диодом включают резистор. Имеются светодиоды с красным, зеленым, желтым и довольно слабым синим свечением. Срок службы светодиодов практически не ограничен. Изображение светодиода на электрических схемах показано на рис.152в. Для индикации цифр на цифровых дисплеях применяют светодиодные индикаторы. Наиболее распространены семисегментные индикаторы.

Оптроны – это приборы, содержащие в одном корпусе оптоизлучатель и фотоприемник, оптически связанные друг с другом. В качестве оптоизлучателя используются светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне излучения. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Т.к. между приемником и излучателем существует только оптическая связь, это позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между приемником и излучателем до нескольких кВ. При этом практически полностью исключаются паразитные емкостные и индуктивные связи в канале передачи информации, поэтому оптический канал связи обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью. Обозначения различных оптопар (оптронов) показано на рис.111.

Рис. 111

 

РАЗДЕЛ 6

Аналого—цифровые функциональные устройства

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: