Файл: Tverdotila_elektronika.pdf

Сім’я ВАХ фотодіода показана на рис. 6.8.

Рисунок 6.8 – Сім’я ВАХ фотодіода

Оскільки фотоЕРС і пряма напруга ввімкнені назустріч одна одній, то при їх рівності струм діода дорівнює нулю, що відповідає режимові холостого ходу. ЕРС холостого ходу при I 0 можна визначити за формулою (6.3):

Цю фотоЕРС знаходять також з ВАХ рис. 6.8.

Фотодіоди використовують у двох режимах: вентильного фотоелемента (рис. 6.9) та фотодіодному (рис. 6.10).

IФ

RH

Рисунок 6.9 – Режим вентильного фотоелемента

У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму, датчик, що генерує ЕРС EÔ , у чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. ФотоЕРС

226

може досягати 1 В. У цьому режимі робоча точка пересувається вздовж осі IÇÂ на ВАХ рис. 6.8 залежно від

інтенсивності світла.

У другому режимі (рис. 6.10) фотодіод працює на зворотній гілці ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями U ÇÂ , IÇÂ залежно від напруги джерела

U і світлового потоку Ô .

U

+

RH

IФ+IТ

Рисунок 6.10 – Фотодіодний режим

Фотострум залежить не тільки від потоку Ô , але й від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p-n –

перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рис. 6.11.

Рисунок 6.11 – Спектральна характеристика германієвого фотодіода

Параметрами фотодіода є:

- темновий струм IÒ струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла;

227

- робоча напруга U ðî á напруга на діоді у

фотодіодному режимі;

Sô Iô / Ô інтегральна чутливість.

6.3.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням

До таких фотоприймачів належать фоторезистори та фототиристори.

Крім перетворення світлової енергії в електричну з утворенням фотоструму, як у фотодіодах, фототранзистор ще й підсилює цей фотострум.

Розглянемо роботу фототранзистора у ССЕ в режимі з вимкненою базою ( IÁ 0 ) (рис. 6.12).

a) б)

Рисунок 6.12 – Структура і схема вмикання фототранзистора (а), статичні вихідні характеристики (б)

При освітленні області бази через вікно ( Ô 0 ) в ній генеруються нерівноважні пари носіїв заряду – фотоелектрони та фотодірки, які дифундують до ЕП та КП. При цьому поле КП розділяє заряди: електрони рухаються до n - колектора, дірки – до p- бази. У колі колектора під

228

дією цих електронів зростає струм на величину Iô . Дірки

створюють у базі позитивний заряд, який зміщує ЕП у прямому напрямі і викликає інжекцію електронів. Унаслідок інжекції електронів через ЕП, їх дифузії через базу та екстракції через КП струм колектора додатково

зана на рис. 6.12 б. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою (6.5), до зростання колекторного струму. Інтегральна чутливість фототранзистора Sô в (1+ h21E ) раз більша, ніж у фотодіода. Це пояснюється

тим, що у фототранзистора струм Iô підсилюється в

(1+ h21E ) раз.

Фототиристори (рис. 6.13) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою і застосовуються для перемикання великих струмів і напруг. ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку Ô показана на рис. 6.13 б.

а) б)

Рисунок 6.13 – Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

229

Засвічення базової області тиристора зумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що приводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває у триністорі при перемиканні керувальним струмом.

6.4 Оптрони та їх застосування

Оптрон, або оптопара, - це оптоелектронний прилад, що містить у собі конструктивно об’єднані й розміщені в одному корпусі джерело і приймач випромінювання з певним видом оптичного й електричного зв’язку між ними.

В електронних схемах оптрон виконує функцію елемента зв’язку, в одній з ланок якого інформація передається оптичним шляхом. Якщо між компонентами оптрона створити електричний зворотний зв’язок, то оптрон стає активним приладом, придатним для підсилення і генерування електричних і оптичних сигналів.

Приклад будови резисторного оптрона показано на рис. 6.14.

3

2 1 4

Рисунок 6.14 – Будова резисторного оптрона: 1 – світлодіод; 2 – металевий корпус; 3 – фоторезистор;

4 – електростатичний екран

Як джерело світла в ньому використовується світлодіод 1, як фотоприймач – фоторезистор 3 у вигляді спресованої таблетки. Для зменшення ємнісного зв’язку між джерелом

230

світла та фотоприймачем розміщується прозорий електростатичний екран 4. Внутрішня частина оптрона заливається оргсклом або епоксидною смолою, які захищають прилад від впливу зовнішнього середовища і відіграють роль світловода. Герметичний металевий корпус 2 зовні нагадує корпус простого транзистора.

Джерело і приймач світла в оптроні мають бути спектрально узгоджені між собою. В оптичному видимому діапазоні застосовуються світлодіоди на основі SiC або GaP і фоторезистори на основі селеніду кадмію (CdSe) або сульфіду кадмію (CdS).

Проте оптичне середовище в оптроні може створюватися не лише з прозорого компаунда на основі полімерів. Для одержання високої розв’язки виходу і входу використовують волоконні світловоди у вигляді нитки з прозорого діелектрика. Світловий промінь від джерела випромінювання потрапляє в торець світловоду, і після багаторазового відбиття від бічних стінок він виходить з іншого кінця світловоду, зазнавши малого гасіння. За допомогою волоконного світловоду можлива передача сигналу керування на великі відстані з високою електричною розв’язкою і завадостійкістю.

Схема вмикання діодного оптрона зображена на рис. 6.15.

U

+

Uвх Uвих RH

Рисунок 6.15 – Схема вмикання діодного оптрона

Принцип дії оптрона полягає в тому, що під дією вхідного сигналу (сигналу керування) змінюється

231

знімається з навантаження RH .

До основних параметрів оптрона належать:

-коефіцієнт передачі K =Uâèõ /U âõ ;

-швидкодія;

-опір розв’язки RÐ 1012 Ом;

-ємність розв’язки ÑÐ 1014 Ф.

Переваги оптронів:

1 Можливість керувати високими напругами за допомогою низьких напруг завдяки високій електричній ізоляції ( RÐ 1012 Ом).

2 Широка смуга пропускання (від постійної складової до гігагерців).

3 Фізична й конструктивна різноманітність, широта функціональних можливостей.

Оптронам властиві й деякі недоліки. До них належать висока споживана потужність, сильна температурна залежність характеристик, складність виготовлення, високий рівень власних шумів.

Залежно від виду фотоприймача розрізняють (рис. 6.16) діодні, резисторні, транзисторні, тиристорні оптрони.

Рисунок 6.16 – Схемні позначення різновидів оптронів:

а) діодний; б) резисторний; в) транзисторний; г) тиристорний

232