Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Рисунок 14.9 – Режим вентильного фотоелемента

Рисунок 14.10 – Фотодіодний режим

У першому режимі фотодіод використовують як джерело струму,

датчик, генеруючий ЕРС Eф , в чутливому індикаторі випромінювання або сонячній батареї. Фото ЕРС може досягати 1 В. У цьому режимі

робоча точка пересувається вздовж осі Iзв на ВАХ рисунку 14.8

залежно від інтенсивності світла.

Рисунок 14.11 – Спектральна характеристика германієвого фотодіода

У другому режимі (рисунок 14.10) фотодіод працює на зворотній ВАХ як фоторезистор, опір якого залежить від світлового потоку. Робоча точка може займати будь-яке положення між осями

Uзв , Iзв залежно від напруги джерела U і світлового потокуФ.

191

Фотострум залежить не тільки від потоку Ф, а й від довжини хвилі світлового випромінювання, яке діє на p-n – перехід. Цей факт ілюструє спектральна характеристика рисунку 14.11.

Параметрами фотодіода є:

Темновий струм IТ - струм, що проходить через діод при робочій напрузі і відсутності світла; робоча напруга Uроб - напруга на діоді у фотодіодному режимі;

Sф =Iф /Ф - інтегральна чутливість.

14.3.3 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 (IБ = 0) (рисунок 14.12).

Рисунок 14.12 – Структура і схема ввімкнення фототранзистора (а), статичні вихідні характеристики (б)

Якщо Ф=0, то через фототранзистор проходить невиликий темновий струм

При освітленні області бази через вікно (Ф>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 дією цих електронів зростає струм на величину Iф . Дірки

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

додатково зростає на величину h21E Iф . Тобто фотодірки у базі

відіграють роль вхідного струму бази.

Загальний колекторний струм фототранзистора

на рисунку 14.12, б. Збільшення освітлення фототранзистора приводить, згідно з формулою (14.5), до зростання колекторного струму.

Інтегральна чутливість фототранзистора Sф в (1+h21E ) разів більша,

ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора струм Iф

підсилюється в (1+h21E ) разів.

Фототиристори (рисунок 14.13) є фотоприймачами з ключовою пороговою характеристикою і застосовуються для перемикання значних струмів і напруг, ВАХ з відкриваючою дією світлового потоку Ф показана на рисунку 14.13, б.

193

а) б)

Рисунок 14.13 – Структура, схема вмикання (а) та ВАХ (б) фототиристора

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.

14.4 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. 14.14.

194

Рисунок 14.14 – 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 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 затухання. За допомогою волоконного світловоду можлива передача сигналу керування на великі відстані з високою електричною розв’язкою і перешкодостійкістю.

Схема вмикання діодного оптрона зображена на рис. 14.15. Принцип дії оптрона полягає в тому, що під дією вхідного

сигналу (сигналу керування) змінюється інтенсивність світлового

195

потоку від випромінювача, і це приводить до зміни внутрішнього опору фотоприймача (фотодіода), струму у вихідному колі й напруги, що

знімається з навантаження RH .

Рисунок 14.15 – Схема вмикання діодного оптрона

До основних параметрів оптрона належать:

-коефіцієнт передачі K =Uвих /Uвх швидкодія;

-опір розв’язки RР 1012 Ом; -ємність розв’язки СР 10 14 Ф.

Переваги оптронів:

-можливість керувати високими напругами за допомогою низьких напруг, завдяки високій електричній ізоляції (RР 1012 Ом).

-широка смуга пропускання (від постійної складової до гігагерців). -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 (рисунок 14.16) діодні, резисторні, транзисторні, тиристорні оптрони.

Рисунок 14.16 – Схемні позначення різновидів оптронів: а – діодний; б – резисторний; в – транзисторний; г – тиристорний

196

Швидкий розвиток оптоелектроніки уможливив у багатьох випадках заміну елементів електронних схем оптронами. Деякі приклади такої заміни наведені у табл. 14.1.

Таблиця 14.1

Список скорочень

ВАХ – вольт-амперна характеристика ВД – випрямлювальний діод ВЗ – валентна зона ЗЗ – заборонена зона ЗП – зона провідності

ЕРС – електрорушійна сила НП – напівпровідник ОД – обернений діод ТД – тунельний діод

ТКН – температурний коефіцієнт напруги АР – активний режим БТ – біполярний транзистор ЕП – емітерний перехід ІР – інверсний режим КП – колекторний перехід НП – напівпровідник РВ – режим відсічення РН – режим насичення

ССБ – схема зі спільною базою ССЕ – схема зі спільним емітером ССК – схема зі спільним колектором ЕРС – електрорушійна сила ККД – коефіцієнт корисної дії

МДН – метал-діелектрик-напівпровідник МОН – метал-окис-напівпровідник НПП – напівпровідниковий прилад ПЗЗ – прилад з зарядовим зв’язком ПТ – польовий транзистор

ПТУП – польовий транзистор з керувальним p-n – переходом

198

Список літератури

1.Москатов Е. А. Электронная техника. – Таганрог, 2004. – 121 с.

2.Федосеева Е.О., Федосеева Г.П. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. – М.: Искусство, 1990. – 240 с.

3.Булычев А.Л. Электронные приборы. -М.: Воениздат, 1982.–416 с.

4.Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высшая школа, 1980. – 383 с.

5.Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа 1987. – 433 с.

6.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1987. – 672 с.

7.Тугов Н.М., Грабов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

8.Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. –

К.: Техника, 1984. – 424 с.

9.Малахов В.П. Схемотехника аналогових устройств: Учебник. – Одесса : Астропринт, 2000. – 212 с.

10.Евецкий В.Л., Никонов В.Ф. Электронные приборы и основы микроэлектроники: Основы микроэлектроники / Ч.П: Конспект лекций. – Киев: КВИРТУ ПВО, 1988. – 280с.

11.Справочник по расчету электронных схем. Б.С. Гершунский. – Киев: Вища школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1983. – 240с.

12.Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. –

М.: Высш. Школа, 1982. – 496с.

199

ЗМІСТ ПЕРЕДМОВА ……………………………………………….. . 2

ЛЕКЦІЯ 1 …………………………………………………….. 3

ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ТА ЕЛЕКТРОННОДІРКОВИХ ПЕРЕХОДІВ ……………......3

ЛЕКЦІЯ 4 ……………………………………………………. 34

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ ………………………… 34

ЛЕКЦІЯ 6 …………………………………………………….. 56

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ …………………………… 56