Фототиристоры

Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора.

О тличительной особенностью структуры и конструкции фототиристора является возможность освещения одной или обеих базовых областей (рис. 7.20,а).

б)

Рис. 7.20. Конструкция фототиристора (а), его вольт-амперная характеристика (б).

Переключение фототиристора из закрытого состояния в открытое происходит, как у обычного тиристора, при увеличении суммарного коэффициента передачи по току структуры до единицы. В фототиристоре увеличение этого параметра может происходить в результате увеличения тока через структуру при поглощении квантов света в базовых областях, то есть из-за генерации пар носителей заряда в базах при их освещении (рис. 7.20,б).

Вольт-амперная характеристика фототиристора имеет вид, показанный на рис. 7.20,б. Сопротивление фототиристора изменяется от 10⁸Ом в закрытом состоянии до 10^-1Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристора лежит в пределах 10^-5-10^-6с.

Оптроны

Оптроном или оптопарой называется полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В качестве светоизлучателей в оптронах используются светодиоды (иногда электролюминесцентный порошковый излучатель, миниатюрная лампочка накаливания), обеспечивающие высокое быстродействие оптронов.

Фотоприёмниками являются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры, которые в основном изготавливаются из кремния. Спектральные характеристики охватывают при этом весь видимый диапазон спектра излучения и часть ближайшей ИК-области.

В качестве прозрачной среды используют полимерные оптические клеи и лаки, специальное стекло и другие диэлектрические материалы, выполняющие в оптроне и функции изолятора. Оптическая среда должна иметь малый коэффициент поглощения света и показатель преломления, близкий к показателю преломления материала источника и фотоприёмника. Очень важное значение имеет совпадение спектральных характеристик светоизлучателя и фотоприёмника.

а) в) б) б)

Рис. 7.21. Условное графическое обозначение оптронов (а–диодного, б–транзисторного, в–тиристорного, г–резисторного).

Усиление или просто преобразование сигнала происходит в оптроне следующим образом. Изменение входного тока через светодиод сопровождается изменением яркости его свечения и изменением освещённости фотоприёмника излучения, что приводит к изменению его сопротивления, а следовательно и выходного тока оптрона. Такое двойное преобразование энергии позволяет передавать информацию из одной электрической цепи в другую с помощью электрически нейтральных фотонов. Это свойство определяет ряд преимуществ оптронов, основными из которых являются:

1. Высокая помехозащищённость электронных схем, так как фотоны электронейтральны, на них не влияют электрические и магнитные поля.

2. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между приёмником и излучателем. Сопротивление изоляции R_из > 10¹² Ом; а проходная ёмкость не превышает 2пФ.

3. Широкая полоса пропускания – означает возможность передачи сигналов с частотой от 10¹³–10¹⁴ Гц, в то время как в радиоэлектронике освоен диапазон частот до 10⁹–10¹⁰ Гц.

4. Возможность реализации бесконтактных оптических связей (оптрон с открытым оптическим каналом).

5. Возможность совмещения оптронов в РЭА с другими полупроводниковыми приборами и интегральными микросхемами.

Парадоксально, но факторы, определяющие преимущества оптопар перед другими полупроводниковыми приборами, одновременно являются причинами, обуславливающими недостатки этих приборов.

1. Относительно большую потребляемую мощность P_потр, потому что дважды происходит преобразование энергии, причём КПД этих преобразований невысок.

2. Влияние температуры на электрические параметры оптронов.

3. Заметное старение.

4. Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

5. Необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и современной планарной (т.к. в одном приборе объединены источник и приёмник излучения, выполненные из разных полупроводниковых материалов).