5.8.5 Фототранзисторы

Структура фототранзистора подобна структуре обычного биполярного транзистора и состоит из чередующихся слоев n-p-n (рис. 5.38а).

Под действием внешнего напряжения Е_п, прикладываемого плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру (рис. 5.38б), эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

При отсутствии освещения практически все напряжение Е_п падает на коллекторном переходе.

При освещении базы Б в ней, а также в обоих ЭДП, генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Электрические поля коллекторного и эмиттерного ЭДП являются ускоряющими для электронов, образовавшихся в базе, и они втягиваются в коллекторную и эмиттерную области. Для дырок эти поля, наоборот, являются тормозящими, и они накапливаются в области базы, сообщая ей положительный заряд, уменьшающий потенциальный барьер эмиттерного ЭДП.

Это приводит к увеличению потока основных носителей (электронов) из эмиттера в базу, что вызывает увеличение коллекторного и эмиттерного токов.

Таким образом первоначальный фототок, возникающий в результате генерации пар электрон-дырка под действием светового потока, усиливается примерно в 100 раз благодаря инжекции электронов из эмиттера в базу.

Из рассмотренного принципа работы фототранзистора видно, что вывод базы

является не обязательным. При этом выходные характеристики фоторезистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с той лишь разницей, что у них управляющим параметром является световой поток, а не ток базы (рис 5.38в). Однако наличие вывода базы у фототранзисторов позволяет использовать как оптическое, так и электрическое управление, осуществлять компенсаципосторонних внешних воздействий (например, уменьшить влияние температуры на изменение параметров). Для обозначения фототранзисторов используются буквы ФТ и цифра, указывающая на порядковый номер разработки, например ФТ-1.

6. Оптроны и оптоэлектронные микросхемы.

Оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом, называются оптронами.

Принцип действия оптронов основан на двойном преобразовании энергии. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике оптический сигнал вызывает изменение тока, напряжения или сопротивления.

Р исунок 5.39. Принцип действия оптронов

Наличие оптической связи между источником и приемником излучения обеспечивает ряд принципиальных преимуществ оптронов: очень высокую электрическую изоляцию входа и выхода; однонаправленность передачи информации; отсутствие обратной реакции фотоприемника на излучатель и взаимных наводок; широкую полосу пропускания; невосприимчивость оптического канала к воздействию электромагнитных полей. Кроме этого, эти приборы позволяют реализовать бесконтактное управление электронными объектами, разработать функциональные микроэлектронные устройства с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по сколь угодно сложному заданному закону, создать разнообразные датчики и устройства для передачи информации путем воздействия на материал оптического канала.

В то же время наличие двойного преобразования сигнала обусловливает:

- низкий КПД,

- значительную потребляемую мощность,

- сильную зависимость параметров от температуры,

- высокий уровень собственных шумов,

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной технологии.

Назначение отдельных элементов оптрона и виды преобразования энергии показаны на обобщенной структурной схеме оптрона (рис. 5.39). Входное устройство обеспечивает согласование источника излучения с предыдущими электронными элементами по тока и напряжению и оптимизацию его рабочего режима.

Связь между излучателем и фотоприемником осуществляется через оптическую среду, которая во многих случаях обеспечивает и механическую целостность конструкции.

Значительно расширить функциональные возможности оптронов позволяет использование управляемого оптического канала. Под действием устройства управления (см. рис. 5.39) изменяются параметры оптической среды или чувствительность фотоприемника, что изменяет коэффициент передачи оптрона. Если свойства оптического канала изменяются при внешних механических воздействиях, то такие приборы могут успешно применяться в качестве разнообразных датчиков положения, перемещения, ускорения, вибрации, уровня и вида жидкости.

Мощность и амплитуда сигнала с фотоприемника часто бывают недостаточными для управления последующими электронными схемами, поэтому в состав оптронов включаются выходные устройства. Они обеспечивают усиление сигнала и преобразования его в стандартную, удобную для передачи форму.

По степени сложности и типу оптического канала выделяют три группы приборов: оптопары, оптоэлектронные интегральные микросхемы и специальные оптроны, классификация которых приведена на рис. 5.40.

Рисунок 5.40. Классификация оптронов

Оптопара (или элементарный оптрон) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

Оптоэлектронная интегральная микросхема состоит из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ним одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Специальные оптроны отличаются от других приборов устройством оптического канала. В оптронах с гибким световодом излучение передается по оптическому кабелю, в результате чего источник и фотоприемник оказываются удаленными друг от друга на значительное расстояние. Оптроны с открытым и управляемым оптическим каналом служат основой для построения разнообразных датчиков и переключательных схем. Использование оптронов (прежде всего – диодных и транзисторных) в цифровых и импульсных устройствах связано с возможностью их быстрого переключения из состояния с низким уровнем сигнала на выходе в состояние с высоким уровнем, или наоборот.

Одним из важнейших параметров, по которым оптроны могут уступать однотипным устройствам (диодам, триодам, микросхемам) без оптических связей, является быстродействие, определяемое главным образом барьерными емкостями источника излучения и фотоприемника. Проигрыш в быстродействии может быть еще выше, если не принимать специальных мер по согласованию режимов работы элементов оптопары. Так, для снижения влияния времени перезарядки барьерной емкости светодиода (20-300 пФ) перезарядку приходится форсировать, например, подавая на вход светодиода так достаточно большой амплитуды. Уменьшения времени перезарядки выходной емкости фотоприемника (5 – 15 пФ) можно добиться, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку, а также уменьшая амплитуду напряжения выходного сигнала.

Ниже приводится краткая сводная таблица основных характеристик некоторых элементарных оптронов (табл.5.1).

Таблица 5.1
Обозначения и параметры	Типы оптронов
	Резисторные	Диодные	Транзисторные общего назначения	Тиристорные
Схемное обозначение	/	/	/	/
Буквенный код обозначения	ОЭП	АОД	АОТ	АОУ
КI, %	1…4	0,5…3,5	30…100	-
Fгр, MГц	0,005…0,01	1…10	0,001…0,5	-
Время, мкс: включения t1 выключения t2	103 … 105 103 … 105	0,1 … 1 0,1 … 1	4 … 10 4 … 30	10 … 30 30 … 250
Iвх, мА Uвх, В	5 … 20 2 … 6	10 … 40 1,1 … 1,8	10 … 40 1 … 2	10 … 800 1 … 3
Iвых, мА Uвых, В	0,2 … 0,7 5 … 250	0,1 … 1,5 1 … 100	5 … 50 5 … 30	(0,1…320)103 50 … 1300
Rиз, Ом	109	109 … 1010	5∙108	5∙108

К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широкополосных трансформаторных устройствах, в усилителях различных сигналов, в других системах аналогового преобразования.