2. Фотодиод. Общие сведения и характеристики.

Полупроводниковый фотодиод – диод, обратный ток которого зависит от освещенности. При поглощении квантов света в области р-n-перехода и прилегающих областей идет генерация (световая генерация) носителей заряда. Из-за увеличения концентрации неосновных носителей заряда происходит рост обратного тока. Изображение фотодиода на электрических принципиальных схемах приведено на рис 1.37.

Рис 1.37 Изображение фотодиода на принципиальных схемах

При подаче на фотодиод обратного напряжения неосновные носители заряда образуют дрейфовый (обратный) ток, величина которого зависит от освещенности. Таким образом, фотодиоды используют при обратном напряжении. Схема подключения фотодиода к источнику ЭДС и нагрузочному резистору показана на рис.1.38,а.

Рис 1.38

Фотодиод характеризуются следующими основными параметрами:

1. Вольт-амперными характеристиками – . ВАХ – зависимость тока анода фотодиода от напряжения на фоторезисторе при различной освещенности, характеризующейся световым потоком Ф. Семейство ВАХ фотодиода для различных световых потоков приведено на рис. 1.39.

Рис. 1.39 Семейство ВАХ фотодиода для различных световых потоков

2. Интегральной чувствительностью – , где – ток анода фотодиода, – световой поток.

Остальные характеристики фотодиода аналогичны характеристикам фоторезистора. Существенным преимуществом фотодиода перед фоторезистором является его меньшая постоянная времени. Темновой ток фотодиода аналогичен тепловому токи полупроводникового диода. У германиевых фотодиодов он находится в диапазоне 10 ÷ 30 мкА, у кремниевых – 1 ÷3 мкА.

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе R_н в схеме, приведённой на рис. 1.38,а , могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки (см.рис.1.38,б). Изменение светового потока от к и далее до , приводит к изменению напряжения на фотодиоде от к и далее до .

При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА.

1.16 Оптопары. Общие сведения и характеристики.

Оптопары - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой и между которыми обеспечена электрическая изоляция (гальваническая развязка).

Источник света ИС и фотоприемник ФП являются элементами оптрона. Управляющим (входным) сигналом для источника света являются входное напряжение U_вх или входной ток I_вх, а выходным – яркость свечения B_вых. В свою очередь входным сигналом для фотоприемника является падающий световой поток Ф_вх, а выходным – напряжение U_вых или ток I_вых, значения которых находят в соответствии с изменением интенсивности светового потока Ф_вх. Источник света и фотоприемник связаны между собой активной или пассивной оптической средой. Следовательно, главная особенность оптрона – гальваническая развязка входной и выходной цепей и однонаправленность сигналов, что характерно для оптических линий связи.

Гальваническая развязка у оптронов с чисто оптической связью практически идеальная (сопротивление изоляции может достигать 10¹²–10¹⁴ Ом, а емкость связи – 10^-2 пФ).

В качестве источников света используют светодиоды. Наибольшее распространение в качестве фотоприемников получили в настоящее время фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры, параметры которых изменяются с освещенностью. Применяются открытые оптические каналы, т.е. просто воздушные зазоры между источником света и фотоприемником. У оптронов с закрытым оптическим каналом в качестве оптической среды, разделяющей источник и приёмник излучения, используются твердые иммерсионные среды: полимерные органические соединения, халкогенидные стекла, стекловолоконные световоды. Последние обладают наиболее высокими изоляционными свойствами. Оптроны с гибкими стекловолоконными световодами по своему назначению аналогичны коротким линиям фотонной связи.

Оптроны подразделяются:

1. по степени интеграции

• оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе);

• оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).

2. по типу оптического канала

• с открытым оптическим каналом (световой поток на пути от источника к приёмнику излучения выходит за пределы корпуса оптрона);

• с закрытым оптическим каналом (световой поток на пути от источника к приёмнику излучения не выходит за пределы корпуса оптрона).

3. по типу фотоприёмника

• с фоторезистором (резисторные оптопары)

• с фотодиодом

• с биполярным (обычным или составным) фототранзистором

• с фотогальваническим генератором (солнечной батареей). Такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор.

• с фототиристором или фотосимистором.

Оптроны с полевым транзистором или фотосимистором иногда именуют оптореле или твердотельным реле

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия), используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).

Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы, например, MIDI, предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.

Условное графическое обозначение фотодиодной оптопары (оптрона) приведено на рис. 1.40. Цифрами обозначены: 1 - светодиод, 2 – фотодиод.

Рис.1.40 Условное графическое обозначение фотодиодной оптопары

Оптопары характеризуются следующими основными параметрами:

1. Максимально допустимое напряжение, между гальванически развязанными частями.

2. Сопротивление между гальванически развязанными частями (входными и выходными выводами оптрона).

3. Ёмкость между гальванически развязанными частями.

Кроме того фоторезистивные оптопары характеризуются:

- коэффициентом изменения сопротивления ,

где и - сопротивление фоторезистора в затемненном и освещенном состоянии. Коэффициент изменения сопротивления находится в диапазоне от 10 до 50.

Фотодиодные оптопары дополнительно характеризуются:

-коэффициентом передачи тока ,

где и , соответственно, токи источника света (входного фотодиода) и выходного фотодиода. Коэффициент передачи тока находится в диапазоне от 0,01 до 0,02.

Контрольные вопросы к лекции4.

1. Назовите основные отличия свойств диодов Шоттки от свойств кремниевых диодов.

2. Какое свойство p-n-перехода используется в варикапах?

3. Приведите примерный вид вольт-фарадной характеристики варикапа.

4. Какие электрические процессы происходят в p-n-переходе светодиода при подаче на него прямого внешнего напряжения?

5. Как отличается ВАХ светодиода от ВАХ кремниевого диода?

6. От чего зависит цвет свечения светодиода?

7. С какой целью в цепь последовательно со светодиодом включают резистор?

8. Почему ВАХ фоторезистора имеет семейство линий?

9. Почему ВАХ фотодиода имеет семейство линий?

10. Почему при воздействии света на фоторезистор снижается его сопротивление?

11. Почему при наличии приложенного к фотодиоду обратного напряжения, воздействие света приводит к росту обратного тока диода?

12. Какие полупроводниковые приборы называются оптопарами?

13. Какими общими параметрами характеризуются оптопары?

14. Для чего используются оптопары?