Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором RH (рис. 22.5). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор RH. Чем больше сопротивление RH и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе RH.
Рис. 22.5. Схема включения фотоэлемента
Основные электрические параметры фотоэлементов - чувствительность, максимальное допустимое анодное напряжение и темновой ток. У электронных фотоэлементов чувствительность достигает десятков, а у ионных фотоэлементов — сотен мкА на люмен. Темновой ток представляет собой ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода и токами утечки между электродами. При комнатной температуре ток термоэмиссии может достигать 10-10 А, а токи утечки — 10-7 А. В специальных конструкциях фотоэлементов удается значительно снизить токи утечки, а ток термоэмиссии можно уменьшить лишь охлаждением катода до очень низких температур. Наличие темнового тока ограничивает применение фотоэлементов для очень слабых световых сигналов.
Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.
Фотоэлектронный усилитель
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии.
Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувствительности (диапазон длин волн), в которой можно применять данный ФЭУ; число ступеней умножения; общий коэффициент усиления тока; напряжение питания; интегральная чувствительность; темновой ток. В качестве характеристик ФЭУ обычно рассматриваются световая характеристика Iа=f(Ф), а также зависимости коэффициента усиления ki и интегральной чувствительности SΣ от напряжения питания Eа.
Фотоэлектронные умножители обладают малой инерционностью и могут работать на весьма высоких частотах. Их применяют для регистрации световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени. Кроме того, ФЭУ применяются во многих областях науки и техники — в астрономии, фототелеграфии и телевидении, для измерения малых световых потоков, для спектрального анализа и т. д. В полупроводниковой электронике нет пока приборов, заменяющих ФЭУ.
Фоторезистор
ФОТОРЕЗИСТОР - полупроводниковый резистор, изменяющий своё электрич. сопротивление под действием внеш. эл.-магн. излучения. Ф. относятся к фотоэлектрич. приёмникам излучения, их принцип действия основан на внутр. фотоэффекте в полупроводниках (см. Фотопроводимость). Основу Ф. составляет слой (или плёнка) полупроводникового материала на подложке (или без неё) с нанесёнными на него электродами, посредством к-рых Ф. подключается к электрич. цепи. Фоторезистивный слой получается, напр., прессованием порошка или распылением водно-спиртовой суспензии полупроводникового материала непосредственно на поверхности подложки, хим. осаждением, эпитаксией, напылением. Полученные т. <о. слои (плёнки) могут подвергаться отжигу. В зависимости от назначения Ф. могут быть одно- и многоэлементные (мозаичные), с охлаждением и без, открытые и герметизированные, выполненные в виде отд. изделия или в составе интегральных схем. Для расширения функцией, возможностей Ф. дополняют фильтрами, линзами, растрами (оптич. модуляторами), предварит. усилителями (в микроминиатюрном исполнении), термостатами, подсветкой, системами охлаждения и др.
Основные параметры фоторезистора: темновое сопротивление (101-1014 Ом); спектральный диапазон чувствительности (0,5-120 мкм); постоянная времени (10-2- 10-9 с); вольтовая чувствительность (103-106 В/Вт); обнаружительная способность (108 -1016 см•Гц 1/2•Вт -1); температурный коэф. чувствительности (0,1-5%/К); рабочее напряжение (0,1 -100 В).
Ф. обладают избирательностью к внеш. излучению: так, Ф. на основе CdS и CdSe чувствительны к видимому, УФ-, рентг. и g-излучениям, а также к ближнему ИК-излучению; Ф. на основе PbS, PbSe, InSb, CdHgTe и PbSnSe -к ИК-излучению с длиной волны до 14 мкм (рис. 2), а на основе легированных Si и Ge - до 40 мкм. Высокая чувствительность, стабильность фотоэлектрич. характеристик во времени, малая инерционность, простота устройства, допускающая разнообразное конструктивно-технол. исполнение, способность работать в широком диапазоне механич. и климатич. воздействий обусловили широкое использование Ф. в приборах и устройствах оптоэлектроники.
Фотодиод
Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
Принцип работы:
При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n
Фотодиод может работать в двух режимах:
· фотогальванический — без внешнего напряжения
· фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Характеристики:
· вольт-амперная характеристика (ВАХ)
· зависимость выходного напряжения от входного тока.
Спектральные характеристики - зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.
световые характеристики - зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.
постоянная времени - это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.
темновое сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.
Фототранзистор
ФОТОТРАНЗИСТОР - транзистор (обычно биполярный), в к-ром управление коллекторным током осуществляется на основе внутр. фотоэффекта; служит для преобразования световых сигналов в электрические с одноврем. усилением последних. Основу Ф. составляет монокристалл полупроводника со структурой п-р-п- или р - п-р- типа. Кристалл монтируется в защитный корпус с прозрачным входным окном. Включение Ф. во внеш. электрич. цепь подобно включению биполярного транзистора, выполненному по схеме с общим эмиттером и оборванным базовым выводом (нулевым током базы). При попадании излучения на базу (или коллектор) в ней образуются парные носители зарядов (электроны и дырки), к-рые разделяются электрич. полем коллекторного перехода. В результате в базовой области накапливаются осн. носители заряда, что приводит к снижению потенц. барьера эмиттерного перехода и увеличению тока через Ф. по сравнению с током, обусловленным переносом только тех носителей, к-рые образовались непосредственно под действием света.
Основные параметры и характеристики фототранзистора: и н т е г р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (отношение фототока к падающему световому потоку); у Ф., изготовленных по диффузионной планарной технологии, она достигает 10 А/лм; с п е к т р а л ь н а я х а р а к т е р и с т и к а (зависимость чувствительности к монохроматич. излучению от длины волны этого излучения), позволяющая, в частности, установить ДВ-границу применимости Ф.; эта граница (в случае собств. поглощения зависящая прежде всего от ширины запрещённой зоны полупроводникового материала) для германиевого Ф. составляет 1,7 мкм, кремниевого-1,1 мкм; п о с т о я н н а я в р е м е н и (характеризующая инерционность Ф.) не превышает неск. мкс; темновой ток (ток через Ф. при отсутствии излучения) не превышает десятков нА. Кроме того, Ф. характеризуется к о э ф ф иц и е н т о м у с и л е н и я п е р в о н а ч а л ь н о г о т о к а, достигающим 102-103.
Высокие надёжность, чувствительность и временная стабильность параметров Ф., а также малые размеры и относит. простота конструкции позволяют широко использовать Ф. в системах контроля и автоматики в качестве датчиков освещённости и элементов гальванич. развязки.
Фототиристор
Тиристор, включение которого осуществляется воздействием светового потока. При освещении Фототиристора в ПП генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристорную структуру на величину фототока. Фототиристор, как и обычный тиристор, может быть представлен в виде комбинации двух транзисторов, между которыми имеется положительная обратная связь по току. Переход Фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния (с низкой проводимостью) в открытое состояние (с высокой проводимостью) происходит скачком при увеличении суммарного коэффициента передачи тока составляющих транзисторов до 1.
Конструктивно Фототиристор представляет собой полупроводниковый (обычно кремниевый) монокристалл с р—п—р—п или п—р—п—р структурой, расположенный на металлическом основании и закрытый герметичной крышкой с прозрачным для света окном. Наибольшее распространение получили теристоры с освещаемым п эмиттером и с освещаемой р базой.
Для управления Фототиристором используются различные источники света: лампы накаливания, импульсные газоразрядные лампы, светоизлучающие диоды, квантовые генераторы и другое. Величина светового потока, необходимого для включения Фототиристора, характеризует чувствительность прибора; она определяется спектральным составом излучения, коэффициентом отражения и поглощения монокристалла, а также значениями электрических параметров теристора (напряжением переключения, скоростью нарастания прямого напряжения и т. д.).
Современные Фототиристоры изготовляют на токи от нескольких мА до 500 А и напряжения от нескольких десятков В до нескольких кВ. Мощность управляющего светового излучения (при длине волны 0,9 мкм) составляет 1—10 мВт. Фототиристоры широко применяются в различных устройствах автоматического управления и защиты, вычислительной техники (фотореле, системах обработки данных и т. п.), а также в мощных высоковольтных преобразователях.
48.
Оптоэлектроника.
Оптоэлектроника – направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.
О. отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена или оптической (фотонной) связи.
Из-за электрической нейтральности фотонов в оптическом канале связи не возбуждаются электрические и магнитные поля, сопутствующие протеканию электрического тока. Иными словами, фотоны не создают перекрестных помех в линиях связи и обеспечивают полную электрическую развязку между передатчиком и приёмником, что принципиально недостижимо в цепях с электрической связью. Передача информации с помощью светового луча не сопровождается накоплением и рассеиванием электромагнитной энергии в линии. Отсюда — отсутствие существенного запаздывания сигнала в канале связи, высокое быстродействие и минимальный уровень искажения передаваемой информации, переносимой сигналом.
Высокая частота оптических колебаний (1014—1015 гц) обусловливает большой объём передаваемой информации и быстродействие. Соответствующая оптической частоте малая длина волны (до 10–4—10–5 см) открывает пути для микроминиатюризации передающих и приёмных устройств О., а также линии связи.
Основные элементы О.: источники света (лазеры, светодиоды), оптические среды (активные и пассивные) и фотоприёмники. Эти элементы применяются как в виде различных комбинаций, так и в виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами. Существует 2 пути развития О.: оптический, основу которого составляет когерентный луч лазера (когерентная оптоэлектроника), и электрооптический, основанный на фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала (оптроника). Сущность оптроники состоит в замене электрических связей в цепях оптическими. С когерентной О. связаны новые принципы и методы построения больших систем вычислительной техники, оптические связи, запоминания и обработки информации, не имеющих аналогов в традиционной радиоэлектронике. Сюда относятся Голография с её огромными возможностями записи, хранения и отображения больших массивов информации, ЭВМ с параллельным вводом информации в виде картин (машины с картинной логикой), сверхбыстродействующие вычислительные системы со скоростью обработки информации Оптоэлектроника109—1011 операций в 1 сек, устройства памяти большой ёмкости (1010—1012 бит), лазерное телевидение и прочие. Большие перспективы открывает когерентная О. перед многоканальной оптической связью.
Оптроны
Оптроны (оптопара) – оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, оптически и конструктивно связанные между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопары. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.
Принцип действия оптопар 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.
Параметры оптронов: входные параметры (параметры излучателя), выходные параметры (параметры фотоприемника), передаточные параметры (параметры передачи сигнала с входа на выход), параметры изоляции.
Параметры для входной цепи оптопар: номинальный входной ток (значение тока, рекомендуемое для оптимальной эксплуатации оптопары, а также для снятия ее основных параметров), входное напряжение (падение напряжения на излучательном диоде при протекании номинального входного тока), входная емкость (емкость между входными выводами оптопары в номинальном режиме), максимальный входной ток (максимальное значение постоянного прямого тока, при котором сохраняется работоспособность оптопары), обратное входное напряжение (максимальное значение обратного напряжения любой формы (постоянное, импульсное, синусоидальное и др.), которое длительно выдерживает излучательный диод без нарушения нор-мальной работы)
Выходные параметры оптопары: максимально допустимое обратное выходное напряжение (максимальное значение обратного напряжения любой формы, которое выдерживает фотоприемник без нарушения нормальной работы), максимально допустимый выходной ток (максимальное значение тока, протекающего через фотоприемник во включенном состоянии оптопары), ток утечки на выходе (темновой ток) (ток на выходе оптопары при, заданном значении и полярности), выходное остаточное напряжение (напряжение насыщения) (значение напряжения на включенном фоторезисторе или фототиристоре в режиме насыщения), выходная емкость (емкость на зажимах фотоприемника).
Эффективность передачи электрических сигналов со входа на выход оптрона определяется коэффициентом передачи по току, т.е. отношением тока на выходе оптрона к вызвавшему его входному току.
