Электроника / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Распределение спектральной плотности светового потока Фλ по длине волны λ зависит от материала полупроводника, легирующих примесей;

спектр слабо зависит от тока через светодиод и от температуры.

	Фλ
1	SiC	GaP	GaAs

0,5

0,1
0,4	0,6	0,8	1,0	λ,мкм
	Видимый спектр	Инфракрасный спектр

Рисунок 6.2. Спектральные характеристики светоизлучающих диодов

83

6.2. Диодный фотоприемник (фотодиод)

Фотодиод – фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого имеет структуру диода.

Принцип действия фотодиода основан на эффекте разделения полемp – n – перехода неравновесных носителей зарядов, обусловленных фотоионизацией атомов полупроводникового материала

Фλ

1,0

									λ,мкм
	0,4		λ'		λ"		1,0

Рисунок 6.3.

Рассмотрим зависимость составляющих тока через p – n – переход от величины светового потока Ф при λ < λ'' и разомкнутых выводах 1 и 2

фотодиода

			Ф
	+
		p
RН	Eф		мкм
		n	3÷5
	-
Рисунок 6.4. Схема фотогальванического режима работы фотодиода

84

При Ф = 0 на p – n – переходе ток диффузии уравновешивает ток проводимости iпр = iд таким образом iΣ = 0.

При Ф > 0 световой поток свободно проникает через тонкий, оптически прозрачный p – слой в p – n – переходе и в толстый n – слой, где в основном поглощается. При этом осуществляется фотоионизация атомов вещества с образованием пары электрон – дырка.

Дырки n – слоя диффундируют к p – n – переходу и его полем преобразуются в p – слой. Таким образом, при Ф > 0 через переход начинает протекать ток дырок, он называется фототоком iф. Накопление дырок в p –

слое и электронов в n – области создает в p – n – переходе разность потенциалов – фото ЭДС, которая направлена встречно исходному потенциальному барьеру p – n – перехода и снижает его, что приводит к появлению тока инжекции, который направлен встречно iф. На p – n –

переходе устанавливается новое динамическое равновесие токов, ток iф

уравновешивается током инжекции.

Если фотодиод включить во внешнюю цепь, то через сопротивление потечет ток, величина и значение которого зависит от схемы включения фотодиода.

Различают два режима: фотодиодный и фотогальванический

85

	i, mA
-E	Ф=0	Ф1	Ф2	Ф3
			ЕФХ	U, В

-E/RН

Рисунок 6.5. Семейство вольт – амперных характеристик фотодиода

III квадрант – фотодиодный режим

IV квадрант – фотогальванический режим

Фотодиодный режим– режим работы с внешним источником питания,

напряжение которого приложено в запирающем переход направлении.

Ф

+E - -

p

RН

n

+

Рисунок 6.6. Структура и схема включения фотодиода в фотодиодном режиме

6.3. Резисторный фотоприемник (фоторезистор)

86

Фоторезистор – фотоприемник, принцип действия которого основан на

эффекте фотопроводимости.

а)	Ф
+ U	- U
IT	б)
	iФ
	iΣ

Рисунок 6.7 - Фоторезистор: а – структура; б – условное обозначение

При Ф = 0термоионизация атомов обуславливает темновой ток IT,

проводимость при этом будет ζT.

Если Ф > 0, то кванты света взаимодействуя с атомами вещества ионизируют их. Валентные электроны перебрасываются в свободную энергетическую зону, проводимость и ток через фоторезистор возрастают.

i iф iт	(6.6)
Общая проводимость
ф т	(6.7)

Где ζф – проводимость, обусловленная только воздействием тока iф.

Обычно в рабочих диапазонах потока Ф, напряжений и температуры

iф iт; ζф ζт.

87

6.4. Фототранзистор

Фототранзистор – фотогальванический приемник излучения,

фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора.

Поток Ф проходит через оптически прозрачный слой эмиттера в базу,

где поглощается, осуществляя фотоионизацию атомов полупроводника с образованием пар электрон – дырка.

а)

+		Э	3 ÷ 5 мкм
		p
	Б
		n	б)	VT
		p

RН

-

i

Рисунок 6.8 - Фототранзистор: а – полупроводниковая структура; б – условное обозначение (тип p – n – p)

Дырки n – базы диффундируют к коллекторному переходу,

перебрасываются его полем в коллектор, увеличивая этим обратный ток коллектора.

Электроны p – базы остаются в базовой области и повышают ее объемный заряд, что приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного перехода. Поток дырок инжектируется в базу из эмиттера,

увеличивается iк и ток через Rн во внешней цепи.

Конструкция фототранзистора содержит входное окно, в основном она близка к конструкции транзистора. На вывод базы можно подавать начальное смещение; компенсируя влияние температуры среды.

88

6.5. Фототиристор

Фототиристор – фотогальванический приемник излучения,

фоточувствительный элемент которого имеет конструкцию тиристора,

обеспечивающую внутреннюю положительную обратную связь по току.

Ф

-

П3

n2

p2

Ea

П2

n1

+

П1

p1

RН

Рисунок 6.9 - Структура фототиристора

Поток Ф проникает через слой П2 – эмиттера в P2 – базу, где он поглощается, ионизируя атомы вещества. Часть генерирующих зарядов – рекомбинирует, другая часть экстрагируетсяp – n – переходами P2 – базы:

электроны коллекторного перехода П3 перебрасываются в П2 – эмиттер,

дырки переходом П2 перебрасываются в П1 – базу. Направление движения зарядов образует фототок, который складывается с обратным током через переходы.

При достаточно большом Ф и следовательно большом iф срабатывает положительная обратная связь по току и фототиристор переходит в открытое состояние.

89

а)
Ф2 > Ф1 > Ф0
б)	VS
U
Uвых max
Рисунок 6.10 - Фототиристор: а – вольт – амперные характеристики; б – условное
обозначение (фототиристор диодный, запираемый в обратном направлении)

6.6. Оптоэлектронные приборы (оптопары)

Оптопара (оптрон) – полупроводниковый прибор, состоящий из оптически связанных между собой светодиода, управляемого входным сигналом и фотоприемника, генерирующего выходной электрический сигнал.

				Оптический
				канал	Ф
Uвх		Свето –					Фото -	Uвых
		излучатель					приемник
iвх								iвых

Рисунок 6.11 - Состав оптопары

Светодиод и фотоприемник оптрона погружены в светопроводящую среду.

90

+	Uвх	-
p
n
p
n		Uвых

Рисунок 6.12 - Структура оптопары.

Материал фотоприемника выбирается так, чтобы его спектральная чувствительность соответствовала спектральной интенсивности излучения

светодиода.

Достоинства оптронов, связанные с электрической нейтральностью и

безынерционностью светового потока Ф.

—Полная гальваническая развязка входа и выхода

—Отсутствие обратной реакции фотоприемника на излучатель

(однонаправленность информации)

—Высокая электрическая прочность;

—Широкая полоса пропускания частот

Недостатки:

— Малый КПД, чувствительность и температура

91

а)	б)
+	+ +	+
	-

		+		-
	-	-	-
	в)		г)
	+	+	+	+

-	-	-	-
Рисунок 6.13 - Условное графическое	обозначение оптопары: а		- резисторной; б -

диодной; в - транзисторной; г - тиристорной.

92