Понятие об 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, 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 и спектрального состава внешнего излучения.

На рис. 1.6.16 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.

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 p-n-перехода (рис. 1.6.17,а). Прибор может работать в режимах фотопреобразователя и фотогенератора (рис. 1.6.17,б).

Рис. 1.6.16. Условное обозначение (а) и вольт-амперные характеристики (б) фоторезистора

В режиме фотопреобразователя в цепь фотодиода включают внешний источник питания (рис. 1.6.17, в), обеспечивающий обратное смещение p-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 (рис. 1.6.17, б).

Рис. 1.6.17. Фотодиод: а – конструкция (1 – стеклянная линза, 2 – кристалл с p-n-переходом, 3 – кристаллодержатель, 4 – корпус, 5 – внутренний вывод, 6 – герметизация корпуса); б – вольт-амперная характеристика; в – схема включения для фотопреобразовательного режима работы; г – схема включения для фотогенераторного режима работы

В режиме фотогенератора фотодиод сам является источником фото-ЭДС (рис. 1.6.17, г), значение которой пропорционально интенсивности светового потока. Типовое значение фото-ЭДС кремниевого фотодиода составляет 0,5…0,55В, а значение тока короткого замыкания при среднем солнечном освещении равно 20…25 .

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

Фототранзистор имеет структуру, аналогичную структуре биполярного транзистора (рис. 1.6.18, а). Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток воздействует перпендикулярно плоскости эмиттерного p-n-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители заряда притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный той. 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.

Рис. 1.6.18. Фототранзистор: а - структура; б - схема включения; в - семейство выходных характеристик

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным (рис. 1.6.18,б). Вольт-амперные 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. 1.6.18,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. 1.6.19.

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. 1.6.20 показана принципиальная электрическая схема одного из таких устройств.

Рис. 1.6.19. Условные обозначения оптопары: а – резистивная; б – диодная; в - транзисторная с биполярным транзистором; г – тиристорная

Рис. 1.6.20. Схема оптоэлектронного переключателя-инвертора