Типы фотоприемников оптоэлектронных приборов

В качестве фотоприемников в оптронах используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т.п.

Фотоприемники на основе фоторезисторов

В качестве фоторезисторов в оптронах используют свойство фотопроводимости полупроводников, т.е. их способность изменять свое сопротивление под действием внешнего освещения. Подробно свойства фоторезисторов и их конструкция рассмотрены в разделе 1.6.

Фотоприемники на основе фотодиодов

Ф отодиод представляет собой диод с открытым p-n переходом. Свето­вой поток, падающий на открытый p-n-переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных и основных носителей зарядов, в результате чего увели­чивается обратный ток. В общем случае ток фотодиода определяется формулой

где І_ф = S_iФ — фототoк;

S_i— интегральная чувствительность;

Ф — световой поток.

Вольтамперные характеристики фотодиода приведены на рис. 15.3 а, а его схематич­ное изображение — на рис. 15.3 б.

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах:

1) короткого замыкания (фотодиодный режим)

2) холостого хода (вентильный режим).

В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде равен фототоку, т. е.

. (15.4)

Т аким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между обратным током в диоде и световым потоком (рис.15.4). Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_XX, отмеченное на рис. 15.3 а, лежит на горизонтальной оси. Для определе­ния этого напряжения можно прологарифмировать выражение (15.3), откуда находим

( 15.5)

Таким образом, при I=0 р-область заряжается положительно, а п-область -отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-эдс. Фото-эдс равна напряжению U_xx и не может превышать контактной разности потенциалов φ_К. Для кремниевых фотодиодов напряжения U_xx<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выход­ного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности (рис.15.5).

Реализовать режим короткого замыкания фотодиода можно только с помо­щью операционного усилителя, а практическая реализация режима холостого хода вообще затруднительна. По указанной причине чаще всего используется фотодиодный режим работы фотодиода.

Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз.

• V₊ - неинвертирующий вход

• V_- - инвертирующий вход

• V_out - выход

• V_S+ - плюс напряжения питания

• V_S- - минус напряжения питания

Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения.

Основными характеристиками фотодиодов являются:

диапазон длин волн принимаемого излучения,

интегральная чувствительность,

темновой ток

постоянная времени.

Большинство фотодиодов работает в широком диапазоне длин волн как види­мого, так и невидимого излучения от 0,4 до 2 мкм. Интегральная чувствительность зависит от площади р-п перехода и может изменяться в пределах от 10^-3 до 1 мкА/люкс. Темновой ток обычно невелик и имеет значение от 10^-2 до 1 мкА.

Фотодиоды имеют очень малую инерционность, т. к. ток в них обусловлен дрейфом неосновных носителей и не связан с диффузией носителей через переход. Постоянная времени фотодиодов лежит в пределах 10^-3 до 1 мкс.

Фотоприемники на основе фототранзисторов

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора.

Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором – часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной.

При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.

Р ассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе (рис.15.6). Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо I_К0 следует поставить I_К0 + I_Ф:

. (15.6)

При I_К0>> I_Ф

, (15.7)

т.е. фототок фототранзистора усиливается в β раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в β раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в β раз. Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора τ =10^-5…10^-6с.

Существует две разновидности конструкций фототранзисторов: поперечная и продольная (рис.15.7).

Продольные транзисторы имеют более простую конструкцию и технологию, удобны для включения в интегральные схемы, но уступают по своим функциональным параметрам.

Достоинства фототранзисторов: наличие механизма внутреннего усиления, т.е. высокая фоточувствительность, схемотехническая гибкость, связанная с наличием третьего электрода.

Основные недостатки: ограниченное быстродействие и температурная зависимость параметров.

Фотоприемники на основе фототиристоров

Фототиристор – полупроводниковый приемник излучения, содержащий структуру тиристора, которая обеспечивает переключающие свойства прибора.

Прибор представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру, содержащую соответственно, три p-n перехода, из которых средний называют коллекторным, а два крайних – эмиттерными. Внешние области называются эмиттерами, внутренние – базами.

Тиристор включается так, чтобы коллекторный переход был включен в обратном направлении, а оба эмиттерных – в прямом. При таком включении переходов, как было рассмотрено в разделе 14.2, тиристор можно представить в виде двух последовательно включенных транзисторов p-n-p и n-p-n с положительной обратной связью через общие базы и коллекторы. Сильная положительная обратная связь является причиной появления на вольтамперной характеристике прибора участка с отрицательным динамическим сопротивлением.

Ти ристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, закрытом высокоомном и открытом низкоомном (рис.15.8). Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком (на отрицательном участке ВАХ состояние прибора неустойчиво), когда напряжение на управляющем электроде (для обычного тиристора) или освещенность (для фототиристора) превышают некоторое пороговое значение. При этом переходе сопротивление тиристора и ток через него изменяются в 10⁶ -10⁷ раз: примерно от 10⁸ Ом в закрытом состоянии до 10^-1 Ом – в открытом. Таким образом, фототиристор имеет очень высокий коэффициент усиления по току и по мощности.

Излучение в фототиристоре поглощается в обеих базах: с ростом освещенности увеличиваются токи эмиттеров, происходит накопление положительных и отрицательных зарядов, необходимых для перевода во включенное состояние.

С ростом освещенности напряжение переключения уменьшается. Таким образом, свет играет роль управляющего электрического сигнала у тиристора с третьим выводом (от базы) и позволяет бесконтактным способом управлять токами в различных электрических цепях.

Выключить фототиристор можно сняв с него выходное напряжение, что легко реализуется при переключении цепей переменного тока.

Главным достоинством фототиристоров как фотоприемников с ВАХ S-типа является внутреннее усиление фототока, что значительно увеличивает фоточувствительность. По сравнению с фототранзисторами фототиристоры обеспечивают большое значение коммутируемых токов и напряжений, более высокое по сравнению с составными фототранзисторами быстродействие (10-30 мкс).

Фототиристоры используются для управления большими токами в «силовой» оптоэлектронике.