Класифікація оптронів

При класифікації оптронів враховуються два моменти: тип приймача і конструкційні особливості приладів у цілому. Вибір першої класифікаційної ознаки зумовлений тим, що практично в усіх оптронах на вході розміщений світлодіод і функціональні можливості приладу визначаються вихідними характеристиками фотоприймача.

Другою ознакою є конструктивне виконання, яке визначає специфіку використання оптрона. Розглянемо для прикладу просту діодну оптопару, яку використовують як елемент гальванічної розвязки. Якщо у її конструкції створити повітряний проміжок між випромінювачем і фотоприймачем, то прилад може бути використаний (і використовується) для зчитування інформації з першоносіїв у різних фотозчитуючих пристроях. Якщо ж випромінювач і фотодіод зєднати гнучким довгим волоконним світлопроводом, то оптрон стає аналогом електричного кабеля. У цих прикладах зміна конструкції оптрона (при тій самій електричній схемі) приводить до кардинальної зміни його функціонального призначення.

За ступенем складності структурної схеми оптрона і типу оптичного каналу розрізняють такі класи оптронів:

1. оптопари (елементарні оптрони) – оптрони, які складаються з випромінювача і фотоприймача, між якими є оптичний звязок і забезпечена електрична ізоляція;

2. оптоелектронні інтегральні мікросхеми (ОІС) – інтегральні мікросхеми, які містять у своєму складі одну або декілька оптопар;

3. спеціальні оптрони, що містять випромінювач (або випромінювачі) та фотоприймач (або фотоприймачі) і мають особливу конструкцію оптичного каналу.

За загальною класифікацією виробів електроніки оптопари належать до класу напівпровідникових приладів, а оптронні мікросхеми – до класу гібридних інтегральних схем. В основу класифікації оптопар покладений тип фотоприймача. При цьому розрізняють резисторні (R), діодні (D), транзисторні (T) і теристорні (Y) оптопари (рис. 2). Спеціальні оптрони відрізняються видом оптичного каналу. На рис. 3. приведені позначення оптопар у схемах.

Позначення вітчизняних оптронів (за винятком резисторних, які позначаються ОЕП (оптоелектронний прилад), – семизначне: перша буква-матеріал випромінююча, друга (О) – оптрон, третя – тип фотоприймача, далі – трьохзначний порядковий номер і, на кінець, буква, яка визначає групу. Наприклад, АОД 101 Б – діодна оптопара з арсенідогалієвим випромінювачем, порядковий номер 101, група Б; аналогічно АОТ 110 А і АОУ 103 В означають транзисторну і теристорну оптопари.

Основним випромінювачем сучасних оптопар є інжекційний світлодіод. У майбутньому – для створення надшвидкісних оптопар (t_пер 10^-910^-10 с) і потужних оптопар з протяжним оптичним каналом – використання напівпровідникових лазерів, які характеризуються великою швидкістю і високою направленістю випромінювання, може виявитися доцільним і економічно виправданим. Якість оптрона у значній мірі залежить від ефективності передачі енергії від джерела до фотоприймача (ФП), тобто від властивостей оптичного каналу. Для зменшення втрат на відбивання необхідно створити імерсійну систему, у якій показники заломлення n оптичного середовища і матеріалів випромінювача і ФП були б однакові. Така задача принципово розв’язується, оскільки у основних напівпровідниках матеріалів, які використовуються для створення оптопар, значення n близькі.

Найбільш розповсюдженими типами ФП у сучасних оптронах є p- і n- фотодіоди, фоторезистори і фототиристори. Кремнієві фотодіоди є хорошими фотоприймачами, однак для отримання вихідних сигналів потрібної амплітуди необхідно доповнювати фотодіод підсилювачем. Підвищувати коефіцієнт підсилення шляхом використання зовнішніх по відношенню до корпусу оптрона елементів неефективно, так як збільшуються габарити системи. Доцільніше помістити підсилювач всередині корпусу оптрона. Це можна здійснити двома способами. Перший спосіб використовує гібридну технологію, яка допускає роздільне узгодження фотодіода і підсилювача і, як наслідок цього, добрі оптичні і електричні параметри оптрона. Другий спосіб – інтегральний – знижує вартість виготовлення оптрона, але дає гірші параметри.

Існують два способи інтеграції фотоприймача і підсилювача:

1. використання фоторезистора, у якому приймачем випромінювання є колективний перехід;

2. використання фотодіода, фотострум якого підсилюється транзистором, розміщеним на тому ж кристалі.

Фоторезистор технологічно виготовити простіше, але йому властива більш низька швидкодія, ніж інтегральному фотоприймачеві на основі комбінації фотодіод-транзистор.

Широке використання у оптронах отримали складові фототеристори і фототранзистори.

При конструюванні оптопар важливо домогтися того, щоб спектральні характеристики джерел світла і фотоприймачів в оптоелектричних колах були узгоджені, що означає певний ступінь їх перекриття. Так, кремнієвий p- i n- фотодіод по спектру і швидкодії добре узгоджується з світлодіодами на основі GaAs:Zn, GaAlAs, GaAsP, а кремнієві фототранзистори і фототеристори – з GaAlAs i GaAs:Si – випромінювачами. У якості матеріалу фоторезисторів широко використовують CdS i CdSe, які добре узгоджуються по спектру з випромінювачами на основі GaP i GaAsP. Слід відмітити, що швидкодія фотоприймача найчастіше обмежує швидкодію усієї оптопари.

Основні типи оптронів

Резисторні оптопари. У резисторних оптопарах в якості фотоприймача використовують фоторезистори на основі CdS i CdSe. При освітлені фоторезисторів їх опір зменшується від R_т (темнового) до R_св (світлового). Одним з основних параметрів резисторних оптопар є відношення цих опорів; значення R_т/ R_св зростає 10⁴–10⁷.

Як уже зазначалось у §3 фоторезистори характеризуються великою інерційністю. Саме з цієї причини у фоторезисторних оптопарах в якості джерел випромінювання широко використовують мініатюрні лампи розжарювання, до переваг яких слід віднести добру відтворюваність параметрів, великий термін роботи, малу вартість. Невелика швидкодія (час перемикання – порядку 110^–2 с) ламп розжарювання у оптопарах цього типу не є їх недоліком, оскільки загальний час перемикання (до 10^–1 с) визначається фотоприймачем. Крім ламп розжарювання у резисторних оптопарах використовують світло діоди, виготовлені на базі GaP, спектр випромінювання яких добре узгоджується з спектрами фотопровідності CdS- i CdSe-фотоприймачів.

Деякі характеристики резисторних оптопар приведені на рис. 4. Збільшення струму І₁ на вході оптопари супроводжується збільшенням світлового потоку випромінювача, у результаті чого R_св зменшується (рис. 4, а). Збільшення температури Т приводить до зменшення рухливості вільних носіїв заряду у фоторезисторі, збільшення R_св, і, як наслідок, до спаду І₂ при тій же напрузі U₂ на виході (рис. 4, б). Із зростанням Т не тільки відбувається збільшення R_св, але зменшується і R_т (зростає концентрація власних носіїв заряду у зоні провідності напівпровідника). При цьому відношення R_т/ R_св дуже сильно спадає (при 70^ С воно може складати ~ 110²), що робить резисторну оптопару практично непридатною для використання при високих температурах.

Інерційність резисторних оптопар проявляється на їх частотних характеристиках, що ілюструє рис. 4, в, де по осі Y відкладений коефіцієнт передачі по струму.

Позитивними якостями резисторних оптопар, які визначають їх широке використання у різних типах оптоелектронних схем, є лінійність та симетричність вихідної характеристики (незалежність від полярності включення фоторезистора), відсутність фото-ЕРС, великі значення напруги на виході (до 250В) і темнового опору (R_т = 10⁶–10¹¹Ом).