Фотоприёмники

Фоторезисторы. В фоторезисторах используется явление изме­нения сопротивления вещества под действием инфракрасного, ви­димого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом их является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

В качестве исходного материала фоторезистора чаще всего ис­пользуются сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д. Условное обозначение фоторезистора приведено на рисунке 1,в.

Рисунок 1 – Конструкция фоторезисторов:

а–поперечная; б– продольная; в–условное графическое обозначение; г–вольт-амперная характеристика; д – энергетическая характеристика; е– относительные спектральные характеристики.

Фототранзисторы. В качестве фотоприемников применяются транзисторные структуры. Простейший фототранзистор (рисунок 2, а) имеет два р-n перехода: эмиттерный и коллекторный. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но соответствующие токи оказывают­ся усиленными, поэтому масштаб по оси токов увеличен в соответствующее число раз (рисунок 2, б).

Напряжения питания на транзистор подают так же, как и на обычный биполярный транзистор, т. е. эмиттерный переход сме­щают в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (рисунок 2, в). Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным. Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор всегда находится в активном режиме (рисунок 2, г).

Рисунок 2 – Обозначение фототранзистора (а); вольт-амперные характеристики (б); схемы включения с подключенной базой (в) и со свободной базой (г).

Кроме фототранзисторов р-п-р и n-p-n-типов в качестве высокочувствительных фотоприемников можно использовать полевые фототранзисторы. Они имеют высокую фоточувствительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания, значительную мощность рассеяния. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным транзисторам. Полевой фототранзистор выполняется с управляющим p-n переходом и, так же как обычный полевой транзистор, имеет 3 вывода: исток, сток и затвор. Переход затвор — канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого вызывает падение напряжения и в резисторе R₃, включенном в цепь затвора (рисунок 3,б).

Рисунок 3– Структура полевого фототранзистора (а), его включение в цепь (б) и энергетические характеристики.

Фототиристоры.

Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощ­ности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора. Одна из возможных конструкций фототиристора и схема его включения показаны на рисунке 4, а, б.

Рисунок 4 – Эпитаксиально-планарная конструкция фототиристора (а), схема подключения к нему напряжения (б); его вольт-амперная характеристика (в) и условное обозначение (г).

Световоды и простейшие оптроны

Между источником излучения и фотоприемником имеется проводящая среда, которая выполняет функции световода. Чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоизлучателя и световода, последний должен обладать большим коэффи­циентом преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для GaAs п = 3,6. Работa элементов волоконной оптики основана на том, что свет пере­дается по отдельному тонкому волокну, не выходя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения. Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Рисунок 5 – Конструкция простейшего оптрона (а); распространение света по световоду (б, в)

В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь. В некоторых слу­чаях к оптической связи добавляется электрическая. Тогда гово­рят об электрооптической связи между источником излучения и фотоприемниками.

В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения широко применяются инжекционные светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие опт­ронов.

Обозначение диодного оптрона и его возможная структура показаны на рисунке 6, а, б. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником — кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 10⁶...10⁷ Гц. Темновое сопротивление в закрытом состоянии — 10⁸... 10¹⁰ Ом, в открытом — порядка сотен Ом - не­скольких килоОм. Сопротивление между входной и выходной це­пями— 10¹³...10¹⁵ Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характери­стики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемни­ком.

Рисунок 6 – Простейшие оптроны: диодный (а) и его структура (б); транзисторный (в); тиристорный (г); с двухэмиттерным фототранзистором (д);

с фоторезистором (е)

Транзисторные оптроны (рисунок 6,в) благодаря большей чув­ствительности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 10⁵ Гц. Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними вы­молами (рисунок 6, д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформа­торы, неизбежные при использовании транзисторных прерывате­лей на обычных биполярных транзисторах.

Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (рисунок 6, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5А и более. Такие оптроны позволяют непо­средственно управлять сильноточными устройствами различного назначения.

Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны в основном используют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высокоэффективных ключей различного функционального назна­чения. Аналоговые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (рисунок 6, е) и применяют для различного рода бесконтакт­ных регулировок в цепях автоматического управления. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер по­вышения быстродействия ограничена несколькими килогерцами.