Коммутационные устройства

Контактные Бесконтактные

1. Механические 1. Полупроводниковые электронные

2. Электромагнитные 2. Оптоэлектронные

3. Магнитоуправляемые 3. Индукционные

4. Электротепловые 4. Гальваномагнитные

5. Магнитогидродинамические 5. Криотронные

6. Электростатические 6. Оптические

7. Электрохимические 7. Пьезоэлектрические

Рис 6.5

Рис 6.6

6.6. Основные электрические параметры оптоэлектронных коммутаторов.

Оптроном называют такой оптоэлектронный прибор, в котором имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно расположенных в одном корпусе.

Входная характеристика ОЭК, т.е. зависимость Jynp=f(U упр.), определяется типом свотоизлучателя. В качестве источника излучения в современных оптронах используется р-n переход, выполненный на основе полупроводникового материала, в котором преобразующим механизмом рекомбинации является межзонная излучательная рекомбинация. Для этой цели используются сложные полупроводники и твер­дые растворы на их основе. К ним относятся твердые растворы арсенид галия, фосфиды галия, арсенид галия-алюминия, карбид кремния и другие полупроводниковые материалы.

Под действием прямого тока через p-n переход в базу светодиода инжектируются избыточные носители заряда. При прямой рекомбинации электрон-дырка освобождается энергия, пропорциональная ширине запрещенной зоны, которая излучается в виде фотона. Часть светового потока от излучающего р-n перехода, падающего на светоизлучательную поверхность светодиода под углом, большим углом полного внутреннего отражения, покидает полупроводник и является полезным световым потоком для фотоприемника. Остальная часть поглощается базой светодиода. Коэффициент полезного действия светодиодов с плоской излучающей поверхностью достигает 5-10%

Быстродействие светодиода определяется скоростью рекомби­нации избыточных носителей и измеряется как время нарастания и спада светового потока при задании прямоугольного импульса тока управления и составляет у серийных приборов 50-300 ИС. Типичная входная ВАХ оптрона изображена на рис. 6.7. Выходная характеристика ОЭК Jвых= f( U вых) при Jвх= const определяется типом фотоприемника. В элементарных оптронах в ка­честве фотоприемников используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, полевые фототранзисторы и, соот­ветственно, выходные параметры таких оптронов обусловлены осо­бенностями выходных характеристик указанных структур.

Конструкции планарного фоторезистора, фотодиода и фототран­зистора изображены на рис.6.8. Типичная выходная ВАХ фоторезистора изображена на рис. 6.9,а.

Выходная характеристика фотодиодного оптрона описывается уравнением вида

Jвх=Jo( )-Jдф (6.4)

где Jо - тепловой ток р-n перехода диода;

m - коэффициент рекомендации, равный для кремние­вого р-n перехода 1-2;

- температурный потенциал (25 мВ при Т ± 20°С);

Jдф - фототок короткого замыкания фотодиода;

K_i - коэффициент передачи по току.

При отсутствии освещения ВАХ фотодиода описывается обычным уровнем для р-n перехода. Под действием светового потека в базе фотодиода генерируются носители заряда, которые диффундируют к р-n переходу. Если на р-n переход подано прямое смещение, то эти носители уменьшают градиент концентрации избыточных носите­лей, инжектированных р-n переходом. Если на р-n переход подано напряжение обратного смещения, то эти носители заряда увеличивают градиент концентрации, т.е. увеличивается обратный ток через р-n переход (рис.6.9,б).

Важнейшими особенностями этих характеристик является:

- сильная зависимость обратного тока фотодиода от тока управления и слабая зависимость прямого тока;

- невысокий коэффициент передачи К_ф фотодиодного оптрона;

- большое время пролета носителей, генерированных светом в базе, до р-n перехода;

- большая емкость р-n перехода.

Рис 6.7

Рис 6.8

С целью уменьшения времени пролета носителей и емкости р-n перехода в качестве фотоприемника используются р - i - n фотодиоды, в которых генерация носителей осуществляется в основ­ном в i- слое (слое полупроводника собственной проводимости).

Значительно улучшить параметры ОЭК можно за счет использо­вания в качестве фотоприемника фототранзистора. Выходные харак­теристики фототранзисторного оптрона (рис.б.9,в) описцваются известней системой уравнений:

Jэ=Jэо( -1) - Jэф- инв*Jк(6.2)

Jк =Jко( -1) – Jкф-* Jэ (6.3)

где Jэф,Jкф - первичный фототок эмиттерного и коллекторного переходов;

инв, . - инверсный и прямой коэффициенты передачи по току транзистора.

Нетрудно убедиться, что уравнения токов фототранзистора отличаются от уравнения токов обычного транзистора наличием соот­ветствующих фототоков Jэф=KiэJупр и Jкф= KiкJупр (Кiэ и Кiк - коэффициенты передачи фотодиодов эмиттерного и коллекторного переходов соответственно).

Для фототранзистора величины первичных фототоков связаны соотношением

Jэф

Выходные характеристики фототранзисторного оптрона для схемы включения с разомкнутой базой описываются соотношением

Uвых = (6.5)

Из уравнения (6.3) также следует, что при обратном смеще­нии коллекторного перехода выходной ток равен

Jвых = Jкф (6.6)

При обратном смещении эмиттерного перехода

-Jвых = Jкф (6.7)

Коэффициент передачи по току Ki , который равен отно­шениею максимального выходного тока к току управления, может быть определен из выходной ВАХ фотоприемника

Rдиф = при Jупр. = const .

Ток утечки -Jут характеризует сопротивление оптрона в замкнутом состоянии, обычно К_с измеряется при напряжении 0,5-1 В.

В силу нелинейности выходной характеристики в качестве параметров открытого состояния оптрона используются дифференци­альное сопротивление,

Rдиф = при Jупр. = const .

и остаточное напряжение на открытом ключе при протекании максимального коммутируемого тока, И_ост.