Фотоприемники с внутренним усилением

В фотоприемниках с внутренним усилением кроме преобразования оптического излучения в электрический ток имеет место еще и усиление фототока.

К ним в первую очередь относятся фототранзистор и фототиристор.

Фототранзистор

Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизмов встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего - управляющего - электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления.

От обычного биполярного транзистора фототранзистор отличается тем, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно. Фототранзистор обычно включается в электрическую цепь по схеме с ОЭ (Рис 1.11.). База фототранзистора может не иметь внешнего вывода (оборванная база).

Рассмотрим работу фототранзистора.

Напряжение питания включается между коллектором (К) и эмиттером (Э) таким образом, что коллекторный переход (КП) оказывается закрытым, а эмиттерный – открытым.

При отсутствии светового потока через фототранзистор протекает темновой ток I_кэо.

I_т = I_кэо = (β + 1) I_кбо

При облучении базовой области в ней начинается генерация носителей. Дырки диффундируют к КП и под действием электрического поля переносятся в коллекторную область, увеличивая собственный ток КП, а электроны остаются в базе, понижая ее потенциал. При этом на ЭП возникает дополнительное прямое напряжение, что усиливает инжекцию дырок из Э в Б. Инжектированные дырки, достигая КП, вызывают увеличение тока коллектора, таким образом ток коллектора определяется выражением:

I_к = βI_ф + I_т,

где I_ф – фототок.

Фототок в данном случае играет роль тока базы. По сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор дает усиление тока в β раз больше, а интегральная чувствительность фототранзистора выше чувствительности фотодиода в β раз: K_фт = βК_фд.

Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом.

Однако это преимущество достигается за счёт резкого снижения температурной стабильности прибора. Поэтому фототранзисторы обычно имеют вывод базы, что позволяет осуществлять температурную стабилизацию режима (при этом имеется некоторый проигрыш в чувствительности). Возможности такой схемы шире, так как на ее вход можно подавать кроме светового электрический сигнал.

Выходные характеристики фототранзистора имеют такой же вид как у обычного транзистора в схеме с ОЭ, но параметром является световой поток.

.

Рис. 1.12 ВАХ фототранзистора.

Световые характеристики фототранзистора линейны и имеют такой же вид, как характеристики фотодиода, работающего с внешним источником напряжения.

Фототиристоры

Фототиристором называется четырехслойная структура p-n-p-n, управляемая светом.

Рис. 1.13. Устройство фототиристора

Фототиристор является аналогом управляемого тиристора с тремя p-n переходами, из которых эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Величина напряжения на фототиристоре выбирается так, что при отсутствии светового потока он закрыт. При освещении области базы p₁ в ней происходит генерация носителей заряда. Электроны диффундируют к коллекторному переходу и переносятся его полем в n₂-область и там накапливаются. Накопившиеся в n₂-области электроны понижают потенциальный барьер второго эмиттерного перехода, что приводит к увеличению инжекции дырок из p₂-эмиттера, которые переносятся в p₁-базу. Эти дырки вместе с дырками, инжектируемыми светом, понижают потенциальный барьер первого эмиттерного перехода и увеличивают инжекцию электронов из n₁-эмиттера и т.д. Происходит лавинное нарастание тока. Фототиристор переходит в открытое состояние. Чем больше световой поток, тем меньше напряжение включения.

ВАХ фототиристора аналогичны ВАХ обычного тиристора, но параметром является световой поток Ф:

Рис. 1.14 ВАХ фототиристора.

При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора уменьшается от сотен МОм до единиц Ом .

Фототиристоры используют для коммутации электрических линий большой мощности.

Светоизлучающие диоды

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды. Они имеют малые габариты и массу(излучающие площади 0,2...0,1 мм² и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет, высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам, низкие рабочие напряжения (1,6.... 2,5 В), малая потребляемая мощность (20.... 600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр.

Светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.

В основе принципа действия прибора лежит явление инжекционной электролюминисценции. При приложении прямого напряжения к p-n-переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход. Прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектиро­ванных неосновных носителей заряда. Рекомбинация происходит как в самом p-n-переходе, так и в примыкающих к переходу слоях. В большинстве полупровод­ников рекомбинация осуществляется через примесные центры (ловушки) вблизи середины запрещенной зоны и сопровождается выделением тепловой энергии - фонона. Такая рекомбинация называется безызлучательной. В ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света — фотона. Это происходит у полупроводников с большой шириной запрещен­ной зоны. Электроны с более высоких энергетических уровней зоны проводимости переходят на более низкие энер­гетические уровни валентной зоны (переход зона - зона), при рекомбинации происходит выделение фотонов и возникает некогерентное оптическое излу­чение. СИД изготавливают с несимметричным p-n-переходом (Рис.1.15), т.е. концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе. Поэтому в излучающей структуре инжекция практически односторонняя (из Э в Б) – излучает базовая область. Интенсивность излучения пропорциональна количеству инжектированных носителей заряда.

Длина волны излучаемых квантов зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Поэтому для видимого излучения (фотонов) нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны, превышающей 1,7 эВ. Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения фосфид галия легируется цинком и кислородом, для получения зелёного – азотом, светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное излучение.

Излучательная способность светодиода характеризуетсявнутренним квантовым выходомη_э, который определяют отношением числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов рекомбинации (безызлучательной и излучательной). Так как часть фотонов покидает полупроводник, а дру­гая часть отражается от поверхности полупроводника и затем поглощается объемом полупроводника, то вводится понятие квантовой эффективности из­лучения;

Физически СИД характеризуется внешней квантовой эффективностью излучения (внешним квантовым выходом):

η =

Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной способности светодиода, который учитывает эффективность ин­жекции, электролюминесценцию и вывод излучения во внешнее пространст­во. С целью повышения эффективности вывода излучения светодиода ис­пользуют различные конструкции (рис.1.16 а,б.): полусферы, отражающие метал­лизированные поверхности и др., у которых практически отсутствует полное внутреннее отражение.

а) б)

Рис. 1.16. Конструкции СИД

Характеристики СИД:

Основными характеристиками СИД являются: ВАХ, яркостная и спектральная характеристики.

ВАХ имеет такой же вид, как для обычного полупроводникового диода (Рис.1.16). Отличается она большим падением напряжения на СИД из-за большой ширины запрещенной зоны, используемых полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей ВАХ из разных полупроводнико­вых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем боль­ше прямое падение напряжения на диоде, тем меньше длина волны излуче­ния и больше потери электрической энергии в нем.

Обратные ветви ВАХ имеют относительно малые пробивные напряжения (3,5…7,5 В), что объясняется малой толщиной p-n-переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряже­ниями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обрат­ного напряжения.

Рис. 1.16. ВАХ светодиода.

Яркостная, или люкс-амперная, характеристика представляет собой зависимость яркости свечения В от проходящего через СИД тока:

В = f(I)

Рис. 1.17 Яркостная характеристика СИД

Яркость свечения светодиода или мощность излучения практически линейно зависит от тока через диод в широком диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости.

Это необходимо иметь в виду, когда светодиод используется в импульсном режиме для получения больших выходных яркостей.
При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение температуры по сравнению с комнатной на 20 C⁰ уменьшает их яркость примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Так, если при 25 C⁰ срок службы хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 C⁰он сокращается до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его максимально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

Начальный участок этой характеристики нелинейный: при токе меньше I_пор яркость свечения очень мала и медленно возрастает с увеличением тока. Этот участок не используется при работе с СИД.

Спектральная характеристика СИД – это зависимость яркости излучения от длины волны излучаемого света:

В = f(λ).

Длина волны излучения определяется разностью двух энергетиче­ских уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. Поэтому светодиоды на основе полупроводников с разной шири­ной запрещенной зоны имеют спектральные характеристики с максимумом излучения при различных длинах волн.

Двухцветные светодиоды
В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения различного цвета излучения необходимо было использовать различные полупроводниковые материалы. Однако можно создать монолитные структуры на основе светодиодов, которые в зависимости от их включения или соотношения токов в них будут излучать в различных спектральных областях. Проще всего такие структуры реализуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для этого на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода, один из которых излучает красный, а другой зелёный свет. При смешивании обоих обоих цветов получается жёлтый цвет. Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять обеими полупроводниковыми системами. Когда оба основных цвета (красный и зелёный) излучаются одновременно, человеческий глаз воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так же путём изменения величины тока, текущего через элементы светодиода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелёное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется получить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP расположить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зелёные лучи. Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпозиционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние) сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных и цифровых индикаторах, а также в цветоаналоговых сигнализаторах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую электронику, с их помощью можно контролировать степень зарядки батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использовать в качестве оптических индикаторов скорости.

Оптроны

Оптроны – приборы, состоящие из светоизлучателя и фотоприемника, оптически и конструктивно связанных друг с другом и помещенные в одном корпусе.

Рис. 1.18. Структура оптрона

Принцип действия оптрона заключается в том, что в источнике излучения электрический сигнал преобразуется в световой, который по оптическому каналу (ОК) передается от светоизлучателя (СИ) к фотоприемнику (ФП), где он вновь преобразуется в электрический сигнал.

Таким образом, оптрон представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами (связь оптрона с внешней схемой электрическая). Внутри оптрона связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов.

Достоинства оптронов, обусловленные использованием нейтральных фотонов в качестве носителей информации, заключаются в следующем:

· практически полная гальваническая развязка входа и выхода оптоэлектронных схем (сопротивление изоляции превышает 10¹² Ом).

· однонаправленность потока информации и отсутствие обратной связи с выхода на вход.

· широкая полоса пропускания частот до 10¹³ – 10¹⁴ Гц (в то время как в радиоэлектронике освоен частотный диапазон только до 10⁹ – 10¹⁰ Гц).

Кроме того, важными достоинствами оптронов являются:

· возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления.

· невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обуславливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки.

· возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения меняются по заданному (сколь угодно сложному) закону;

· расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и не электрического) на материал оптического канала и, как следствие этого, создание разнооборазных датчиков и приборов для передачи информации.

В качестве светоизлучателей используются СИД. Основные требования, предъявляемые к нему:

· высокая мощность излучения;

· высокое быстродействие;

· достаточно узкая направленность излучения.

· миниатюрность;

· малая потребляемая мощность;

· надежность;

· большой срок службы;

· технологичность;

Назначение оптического канала: максимально полно передавать энергию светового сигнала от СИ к ФП, высокое светопропускание без искажения формы сигнала, высокое быстродействие. При этом необходимо обеспечить минимальное рассеяние излучения в стороны во избежание влияния на другие светочувствительные элементы устройства и минимальное поглощение внешнего излучения во избежание ложных срабатываний оптрона.

В оптронах используют следующие конструктивные виды оптических каналов:

· связь через воздух, которая характеризуется простотой и высокой электрической изоляцией;

· связь через воздух с использованием оптической фокусировки с помощью линз, что обеспечивает лучшую светопередачу (по сравнению с прямой связью через воздух);

· связь с использование иммерсионной среды, что обеспечивает наилучшие параметры оптического канала;

· связь с использованием отрезка световода (обычно жесткого оптоволокна), которая удобна при создании оптоизоляторов с допустимым напряжением изоляции 20 – 50 кВ.

Таким образом, при выборе типа оптического канала необходимо в зависимости от применения оптрона удовлетворить следующие требования:

1) обеспечить заданный уровень электрической изоляции между входом и выходом оптрона (между излучателем и фотоприемником);

2) материал оптического канала должен быть согласован с излучателем и фотоприемником спектрально, т.е. обладать высокой прозрачностью для излучения в рабочем диапазоне длин волн.

Наиболее распространенными типами фотоприемников являются фоторезисторы, фотодиоды, кремниевые фототранзисторы и фототиристоры.

Очевидно, что эффективность работы цепочки СИ–ОК–ФП может быть реализована лишь при согласовании спектральных характеристик всех входящих в нее элементов.

По типу используемого ФП различают диодные, транзисторные, тиристорные и резисторные оптроны.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки... сотни мегаом в неосвещенном и сотни ом в осве­щенном состояниях), низкий частотный диапазон.Недостатком резисторных оптопар является низкое быстродействие (0,01…1 с).

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 составляет 10¹³ ... 10¹⁵ Ом.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диод­ные. Быстро-действие не превышает 10⁵ Гц.

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

Современным оптронам присущи определенные недостатки:

· значительная потребляемая мощность из-за двойного преобразования энергии и низкий КПД;

· сильная температурная зависимость параметров;

· высокий уровень собственных шумов;

· сложность изготовления.

Недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологий, схемотехники постепенно устраняются.