Ткаченко_Ф_А_Техническая_электроника_2000

141

В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV в фотовентильном режиме, и фотоэлемент становится источником электрической энергии. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p–n переход смещен в прямом направлении.

Энергетическая характеристика фотодиода связывает фототок со световым потоком, падающим на фотодиод рис. 7.13,б. При работе фотодиода в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практи-

142

чески все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.

Спектральная характеристика фотодиода аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависит от материала фотодиода и количества примесей (рис. 7.14,а).

Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра излучения.

Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 7.14,б). Быстродействие фотодиода характеризуется граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в 2 раз по сравнению со своим низкочастотным значением.

Для повышения чувствительности и быстродействия разработаны следующие фотодиоды: со встроенным электрическим полем; фотодиоды с p–i– n структурой; с барьером Шотки; лавинные фотодиоды.

Фотодиоды со встроенным электрическим полем имеют неравномерно легированную базу, за счет чего возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда.

Фотодиоды с p–i–n структурой имеют большую толщину области, обедненной основными носителями, i–область имеет удельное сопротивление в 106…107 раз больше, чем сопротивление легированных областей n– и p–типов. К переходу можно прикладывать большие обратные напряжения, и однородное электрическое поле устанавливается по всей i–области. Падающее световое излучение поглощается i–областью, имеющей сильное электрическое поле, что способствует быстрому дрейфу носителей в соответствующие области.

У фотодиодов с барьером Шотки за счет минимального сопротивления базы и отсутствия процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов достигается высокое быстродействие. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n переходе, и за счет этого резко возрастает чувствительность, их быстродействие составляет fгр = 1011…1012 Гц. Эти диоды считаются одними из перспективных элементов оптоэлектроники.

Параметры фотодиодов следующие:

1.Темновой ток IТ – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10…20 мкА для германиевых и 1…2 мкА для кремниевых диодов).

2.Рабочее напряжение Up – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме (Up=10…30 В).

143

3. Интегральная чувствительность Sинт показывает, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока:

Sинт = dIф d Ф.	(7.8)
4. Граничная частота fгр – частота, на которой интегральная чувствитель-
ность уменьшается в	2 раз (107…1012 Гц).

7.10. Фотоэлементы

Фотоэлементы, работа которых основана на фотогальваническом режиме, предназначены для преобразования светового излучения в электрическую энергию.

Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были разработаны в 1926 году. Наибольшее применение они нашли для преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотоэлементы, реализующие этот принцип, называют солнечными преобразователями. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи. Они используются для питания радиоэлектронной аппаратуры в космических аппаратах, автоматических метеостанциях, микрокалькуляторах и маломощных установках различного назначения.

Спектр солнечной энергии включает в себя практически весь оптический диапазон. Весь спектр солнечной энергии не удается преобразовать из-за отсутствия идеальных полупроводниковых материалов. Поэтому выбирают полупроводниковые материалы с высоким коэффициентом поглощения и большим квантовым выходом в области максимальной интенсивности спектра солнечного излучения, с минимальным коэффициентом отражения, определенными шириной запрещенной зоны, степенью легирования, коэффициентом преломления и другими параметрами. Для этих целей используют кремний и арсенид галлия. Кремниевые преобразователи имеют стабильные параметры в диапазоне температур –150…+150 °С. КПД фотопреобразователя – отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента. Предельный расчетный КПД кремниевого преобразователя 23 %, а реальный – 14…18 %. Арсенид-галлиевые преобразователи имеют реальный КПД около 11 %.

Для сравнения преобразователей как источников питания используется параметр качества – отношение выходной мощности к массе источника. Все монокристаллические преобразователи имеют меньший параметр качества, чем

144

пленочные на сульфиде CdS или теллуриде CdTe кадмия. Перспективными считаются преобразователи на МОП-структурах с барьером Шотки.

7.11. Фототранзисторы

Фототранзистором называют полупроводниковый управляемый оптическим излучением прибор с двумя p–n переходами.

Фототранзисторы, как и обычные транзисторы могут быть p–n–р и n–p–n типа. Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое применение нашло включение фототранзистора в схеме с ОЭ, при этом нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фототранзистора является модулированный световой поток, а выходным – изменение напряжения на резисторе нагрузки в коллекторной цепи.

Напряжение питания на фототранзистор подают как и на обычный биполярный транзистор, работающий в активном режиме, т.е. эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном (рис. 7.15,а).

145

Однако он может работать и с отключенным выводом базы (рис. 7.15,б), а напряжение прикладывается между эмиттером и коллектором. Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При этом фототранзистор работает в активном режиме ближе к границе отсечки. При Ф = 0 ток очень мал и равен темновому току

IТ =	Iко	.	(7.9)
	1−α

Рассмотрим принцип работы фототранзистора при включении с плавающей базой. При освещении фототранзистора под действием света в базовой области и коллекторном переходе образуются свободные носители заряда, эти носители диффундируют в базе к коллекторному переходу. Неосновные носители области базы (для транзистора n–p–n типа) – электроны экстрагируют в область коллектора, создавая фототок в коллекторном переходе. Оставшиеся в объеме базы основные носители (дырки), создают положительный объемный заряд и компенсируют заряд неподвижных ионов примесей на границе эмиттерного перехода.

Потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается, что увеличивает инжекцию основных носителей (электронов) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует в базе с дырками, а большая часть экстрагирует через коллекторный переход, увеличивая его ток. Таким образом, ток в коллекторной цепи равен сумме фототока Iф и тока Iк, инжектированных эмиттером электронов, дошедших к коллекторному переходу и втянутых его электрическим полем в область коллектора. При Rк = 0, коэффициент усиления фототока равен

	β+1 =	Iф + Iк	.	(7.10)
		Iф

Фототранзистор увеличивает чувствительность в β+1 раз по сравнению с фотодиодом, что является главным преимуществом фототранзистора по сравнению с фотодиодом.

Для обеспечения температурной стабильности энергетических параметров одновременно с оптическим управлением используется подача напряжения смещения на базу для выбора рабочей точки на входной и выходной характеристиках транзистора. При отсутствии оптического потока темновой ток определяется током базы, что позволяет дополнительно управлять током фототранзистора. Задание определенного темнового тока позволяет обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммировать их с электрическими.

146

Наряду с фототранзисторами n–p–n и p–n–р типов используются полевые фототранзисторы с управляющим p–n переходом и МОП-транзисторы.

На рис. 7.16 представлен полевой фототранзистор с управляющим p– n переходом и каналом n–типа. Падающий световой поток генерирует в n– канале и p–n переходе (канал–затвор) электроны и дырки. Электрическое поле перехода разделяет носители заряда. Концентрация электронов в n–канале повышается, и уменьшается его сопротивление, а ток стока возрастает. Увеличение дырок в p–области вызывает появление фототока в цепи затвора.

Переход затвор–канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого Iз (ток затвора) создает падение напряжения на резисторе Rз, что приводит к уменьшению обратного напряжения на p–n переходе канал–затвор. Это вызывает дополнительное увеличение толщины канала, уменьшение его сопротивления и приводит к возрастанию тока стока.

МОП-фототранзисторы с индуцированным каналом имеют полупрозрачный затвор, через который световой поток попадает на полупроводник под затвором. В этой

области полупроводника генерируются носители заряда, что приводит к изменению значения порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал. Для установления начального режима иногда на затвор подают напряжение смещения.

7.12. Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Вольтамперные характеристики аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при Iб=const (рис. 7.15,в). Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основные параметры фототранзистора следующие.

1.Рабочее напряжение (10…15 В).

2.Темновой ток (до сотен мкА).

3.Рабочий ток (до десятков мА).

4.Максимально допустимая мощность рассеяния (до десятков мВт).

147

5. Статический коэффициент усиления по фототоку Ку ф=1+β. Измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке, составляет порядка (1…6)×102.

6.Интегральная чувствительность – отношение фототока к падающему световому потоку, составляет 0,2…2 А/лм и выше в (β+1) раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

7.Граничная частота – частота, при которой интегральная чувствитель-

ность уменьшается в 2 раз по сравнению со своим статическим значением (104…105 Гц). Большую граничную частоту имеют полевые фототранзисторы

(107…108 Гц).

Недостатками фототранзисторов является меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами, что ограничивает их применение в волоконнооптических системах, сравнительно высокий уровень собственных шумов и сильная зависимость темнового тока от температуры.

7.13. Фототиристоры

Фототиристор – это четырехслойная полупроводниковая структура, управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на управляющий электрод. Они применяются в качестве бесконтактных ключей для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Принцип действия фототиристора аналогичен обычному тиристору, при этом увеличение коэффициентов передачи эмиттерных переходов h21б1 и h21б2 достигается за счет освещения баз тири-

стора – n1– и p2–областей (рис. 7.17).

Оптический сигнал, попадая на базовые области, вызывает генерацию неравновесных носителей, которые диффундируют к обратно-смещенному коллекторному переходу П2 (рис. 7.17). Неосновные носители (дырки) n1–области экстрагируют через коллекторный переход в p2–область, а неосновные носители p2– области (электроны) перебрасываются в n1– область. За счет этого происходит перераспределение внешнего напряжения Uвн, приложенного к тиристору; напряжение

148

на коллекторном переходе П2 несколько уменьшается, а напряжения на эмиттерных переходах П1 и П2 несколько увеличиваются, что повышает инжекцию носителей из эмиттеров в базы. Эмиттерные токи возрастают, что приводит к увеличению коэффициентов h21б1 и h21б2 . В связи с этим процесс включения

фототиристора происходит так же, как и при подаче напряжения на управляющий электрод тиристора.

Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается фототиристор. Вольтамперная характеристика фототиристора представлена на рис. 7.18.

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для выключения фототиристора необходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания. Сопротивление фототиристора во включенном состоянии единицы и доли Ом, а в выключенном – сотни кОм. Время переключения лежит в пределах 10-5…10-6 с.

Если у фототиристора имеется вывод от одной из базовых областей, то подавая на управляющий электрод напряжение, смещающее соответствующий

эмиттерный переход в прямом направлении, можно понижать напряжение включения. Само включение фототиристора по-прежнему будет осуществляться действием светового потока. Достоинствами фототиристоров является: малое потребление мощности во включенном состоянии, малое время включения, отсутствие искрения, малые габариты.

Основными параметрами фототиристоров являются: напряжение включения Uвкл; ток включения Iвкл, соответствующий напряжению включе-

ния; напряжение выключения Uвыкл и ток выключения Iвыкл, при которых фототиристор переходит из открытого состояния в закрытое; темновой ток IТ;

пусковой поток Фпуск; минимальный управляющий (пороговый) световой поток; интегральная чувствительность; время выключения tвыкл; номинальный ток открытого фототиристора Iном; максимально допустимое обратное анодное напряжение Uобр макс.

149

7.14. Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.

Источниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 7.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в

электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 1012…1014 Ом, а емкость связи 10-2 пФ) и однонаправленность сигналов, что характерно для оптических линий связи.

150

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон.

Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 106…107 Гц. Темновое сопротивление достигает 108…1010 Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 1013…1015 Ом.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 105 Гц.

Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов.

7.15. Входные и выходные параметры оптопар

Наиболее распространенные на практике оптопары можно описать следующими параметрами: параметры излучателя (входные параметры), выходные параметры (фотоприемника), передаточные параметры (параметры передачи сигнала со входа на выход), параметры изоляции.

Основными параметрами для входной цепи оптопар являются:

1.Номинальный входной ток Iвх ном – значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары, а также для снятия ее основных параметров.

2.Входное напряжение Uвх – падение напряжения на излучательном диоде при протекании номинального входного тока Iвх ном.

3.Входная емкость Cвх – емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме.

4.Максимальный входной ток Iвх макс – максимальное значение постоянного прямого тока, при котором сохраняется работоспособность оптопары.

5.Обратное входное напряжение Uвх обр – максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое длительно выдерживает излучательный диод без нарушения нормальной работы.

Выходными параметрами оптопар являются:

1.Максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых обр макс – максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое выдерживает фотоприемник без нарушения нормальной работы.

2.Максимально допустимый выходной ток Iвых – максимальное значение тока, протекающего через фотоприемник во включенном состоянии оптопары.