Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
101
При подключении базы транзистора к внешней схеме
неравновесные заряды могут выходить из базы во внешнюю
цепь. Скорость этого процесса зависит от сопротивлений в цепи
базы. В результате заряд избыточных основных носителей в базе уменьшается, уменьшается и усиление фототока.
Фототиристор, как и обычный тиристор, имеет четырехслойную p-n–p-n-структуру (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Структура фототиристора
При внешнем облучении фототиристора в базовых областях возникают неравновесные носители, которые разделяются
запертым p-n-переходом. Обычно фототиристор работает в динисторном включении. В базовых областях происходит накопление основных носителей, как и в базе фототранзистора, при
этом через открытые переходы П1 и П3 из анода и катода в базы
фототиристора будут поступать заряды для поддержания электронейтральности, поэтому при внешнем облучении полный ток
через структуру I будет складываться из собственного тока коллекторного перехода Iк0 при заданном напряжении и суммы фототоков через все три перехода:
0 1 1 2 3 3к ф ф ф
I I I I I
+ + +
,
(6.6)
где Iф1, Iф2, Iф3 — фототоки через переходы П1, П2 и П3, а 1
и 2 — коэффициенты передачи по току транзисторов, соединением которых представляется тиристор.
p
p n n
П1
П2
П3
Ф
102
При отсутствии облучения, то есть при
1ф
I
=
2ф
I
=
3ф
I
= 0,
получаем темновую характеристику фототиристора. В этом случае через фототиристор протекает небольшой ток утечки, который сильно зависит от температуры. При увеличении температуры на каждые 10
0
С этот ток примерно удваивается.
При облучении фототиристора величина
1 1 2 3 3ф ф ф
I I I
+ +
играет роль тока управления, который изме-
няет напряжение включения фототиристора. Фототиристор, так
же как и фототранзистор, обладает большим внутренним усилением фототока. Однако в отличие от последнего включенное
состояние фототиристора сохраняется и при прекращении действия излучения.
Семейство ВАХ фототиристора аналогично семейству
ВАХ обычного тиристора, только параметром семейства является световой поток Ф.
Основные характеристики
и параметры фотоприемников
1. Вольт-амперные характеристики.
ВАХ фотоприемников представляют собой зависимости
фототока Iф при неизменном световом потоке (Ф = const) от
приложенного напряжения. На рис. 6.13 показаны ВАХ некоторых фотоприемников. ВАХ фоторезистора (рис. 6.13, а) практически линейна в рабочем диапазоне напряжений. У большинства
фоторезисторов отклонение ВАХ от линейной зависимости
наблюдается при малых напряжениях, что обусловлено нелинейным сопротивлением контактов между зернами поликристаллического или пленочного полупроводника, из которого
изготовлены фоторезисторы.
На рис. 6.13, б приведено семейство ВАХ фотодиода.
Квадрант при U < 0 и I < 0 соответствует работе фотодиода в
режиме фотопреобразования, в котором в рабочем диапазоне
значений обратных напряжений фототок практически не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. ВАХ нагрузочного резистора (линия нагрузки) является прямой, уравнение которой имеет вид:
103
.
обр ф
Н
Е I R U−=
(6.7)
а) б)
в) г)
Рис. 6.13. Вольт-амперные характеристики фотоприемников:
а — фоторезистор; б — фотодиод;
в — фототранзистор; г — фототиристор
Согласно схеме, приведенной на рис. 6.11, в, фотодиод
и нагрузка RН соединены последовательно, и через них протекает одинаковый ток Iф. Его величину можно определить по точке
пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки (точка Н на
рис. 6.13, б).
U 0 I
I
с
I
T
I
ф
U
р
Ф=0
Ф>0
I
К
U
КЭ
0
Ф1=0
Ф2> Ф1
Ф3> Ф2
Ф3> Ф2
U 0 I
Ф3> Ф2> Ф1
Ф1=0
Ф2
Ф3
I
кз
I
ф
Ф1=0
Ф3>Ф2> Ф1
Ф3
Ф2
E
обр
0
I U U
хх
104
Квадрант семейства ВАХ при U > 0 и I < 0 фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы. Точки пересечения ВАХ с осью напряжения определяют значения фотоЭДС при различных значениях внешнего светового потока Ф.
Точки пересечения ВАХ с осью токов определяют значение токов короткого замыкания.
ВАХ фототранзистора и фототиристора показаны на
рис. 6.13, в, г.
2. Световая (люкс-амперная) характеристика.
Световая характеристика фотоприемников определяет зависимость фототока Iф от величины внешнего светового потока
Ф. Для фоторезисторов световая характеристика, почти линейная при малых значениях Ф, уменьшает свой наклон с ростом Ф.
Причиной снижения приращений фототока при больших потоках Ф является снижение подвижности носителей заряда, так
как с ростом освещенности возрастает концентрация ионизированных атомов в полупроводнике.
Световая характеристика фотодиода линейна в режиме
фотопреобразования. В фотогальваническом режиме световые
характеристики фотодиода представляют зависимостями:
– тока короткого замыкания от внешнего светового потока
(Iкз(Ф));
– наведенной ЭДС от внешнего светового потока (Eф(Ф)).
При больших значениях внешнего светового потока световые характеристики фотодиода существенно отклоняются от
линейных. Зависимость Iкз(Ф) становится нелинейной из-за падения напряжения на объемном сопротивлении базы, а Uхх(Ф) —
ввиду уменьшения высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда в n- и p-областях.
3. Спектральная характеристика.
Спектральная характеристика фотоприемника представляет собой зависимость фототока от длины волны падающего излучения. Обычно спектральная характеристика имеет форму
кривой с максимумом. При больших длинах волн внешнего светового воздействия энергия квантов света мала по сравнению с
шириной запрещенной зоны и фотоэффект не наблюдается. По-
105
этому для каждого полупроводника существует пороговая длина
волны, которую определяют как длину волны, при которой фототок уменьшается в 2 раза относительно максимального со
стороны больших длин волн. При малых длинах волн внешнего
светового воздействия растет показатель поглощения. Глубина
проникновения фотонов в полупроводник уменьшается, возрастает роль поверхностной рекомбинации, и уменьшается время
жизни неравновесных носителей, что приводит к снижению фототока. Именно поэтому фотоприемники имеют максимальную
чувствительность в определенном оптическом диапазоне, зависящем от ширины запрещенной зоны полупроводника.
4. Интегральная чувствительность.
Интегральная чувствительность фотоприемника представляет собой отношение фототока к внешнему световому потоку:
0 ф
КI=
.
(6.7)
Поскольку в фототранзисторах существует усиление фототока, то и чувствительность фототранзисторов (К0Т) в
21Э
h
раз
выше, чем у диодов (К
0д
):
00
21
ТД
Э
К h К=
.
(6.8)
5. Постоянная времени.
Постоянная времени фотоприемника определяется как
время, в течение которого фототок изменяется после освещения
или затемнения приемника на 63 % (в е раз) по отношению к
установившемуся значению. Этот параметр зависит от скорости
диффузии носителей, емкости p-n-перехода и приложенным
напряжением. Скорость нарастания фототока при освещении
приемника и скорость спада после затемнения определяются
различными физическими процессами, и поэтому неодинаковы
и характеризуются разными постоянными времени — нарастания и спада.
106
6.4. Оптопары. Макромодели оптоэлектронных приборов
Оптопара — это оптоэлектронный прибор, содержащий
излучатели и фотоприемники, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена гальваническая развязка.
В основе работы оптопары заложено двойное преобразование энергии. Излучатель преобразует входной электрический
сигнал в оптическое излучение, а фотоприемник преобразует
оптический сигнал в электрический ток или напряжение. Поэтому связь оптопары с внешней входной и выходной цепью
электрическая, а внутри связь входа с выходом осуществляется
оптическими сигналами. В электрических схемах оптопары выполняют функцию гальванической развязки входных и выходных цепей. Однако роль оптопары не только в этом. Оптическое
управление позволяет получить ряд специфических преимуществ для электронных устройств. К ним относятся: однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с
выхода на вход, широкая полоса пропускания.
Оптопары демонстрируют следующие достоинства:
– возможность бесконтактного (оптического) управления
электронными объектами, разнообразие и гибкость конструкторских решений задач управления;
– невосприимчивость оптических каналов связи к электромагнитным помехам, обеспечивающая высокую помехозащищенность при использовании оптопар с протяженным оптическим каналом, полное исключение взаимных наводок;
– возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному, сколь угодно сложному, закону.
Недостатки оптопар:
– низкий КПД, обусловленный двойным преобразованием
энергии сигнала, значительная потребляемая мощность;
– сильная температурная зависимость параметров;
– высокий уровень собственных шумов.
По мере совершенствования материалов, технологии и
схемотехники перечисленные недостатки постепенно устраняются.
107
Структурная схема оптопары приведена на рис. 6.14.
Рис. 6.14. Структурная схема оптопары:
И-излучатель, ФП-фотоприемник
Наиболее распространенным излучателем современных
оптопар является инжекционный СИД. Фотоприемниками современных оптопар преимущественно являются фотодиоды,
фототранзисторы и фототиристоры. Их спектральная характеристика охватывает весь видимый диапазон спектра и часть ближней ИК-области.
Кремниевые фотодиоды — хорошие фотоприемники, но
для получения на выходе сигнала нужной амплитуды требуется
дополнить фотодиод усилителем. Внешние усилители увеличивают габариты схемы, поэтому целесообразно разместить усилитель в корпусе оптопары. Это можно сделать либо по гибридной
технологии, допускающей раздельное согласование фотодиода и
усилителя и обеспечивающей хорошие оптические и электрические параметры оптопары, либо по интегральной технологии,
снижающей как стоимость оптопары так и ее параметры.
Условные обозначения оптопар приведены на рис. 6.15.
В системе параметров оптопар выделяют четыре группы: входные (излучателя), выходные (фотоприемника), передаточные
(параметры передачи сигнала со входа на выход) и параметры
изоляции.
Входные параметры оптопар:
– номинальный входной ток;
– падение напряжения на излучающем диоде в прямом
направлении;
– входная емкость;
– максимально допустимое значение прямого постоянного тока;
– максимальное значение обратного напряжения.
Выходные параметры оптопар:
– максимально допустимое обратное выходное напряжение;
I
вх Iвых Ф
108
– максимально допустимый выходной ток;
– ток утечки на выходе;
– выходное остаточное напряжение;
– выходная емкость.
а) б)
в) г)
д) е)
Рис. 6.15. Условные обозначения оптопар: а — резисторная;
б — диодная; в — транзисторная; г — тиристорная;
д — с составным фототранзистором;
е — диодно–транзисторная
Основным параметром, характеризующим передачу сигнала со входа на выход оптопары, является статический коэффициент передачи по току (КI), то есть отношение выходного
тока оптопары к вызвавшему его входному току:
.
I вых вх
K I I=
(6.9)
Зависимость выходного тока оптопары к вызвавшему его
входному току (I
вых
= f (I
вх
)) называется передаточной характеристикой, которая в общем случае нелинейна. Различают дифференциальный коэффициент передачи:
109
.
вых
Iд
вх
dI
K
dI
=
(6.10)
Нелинейность передаточной характеристики обусловлена
нелинейностью излучательной характеристики излучателя и зависимостью К
Iд
фотоприемника от выходного тока. Тиристорная
оптопара работает только в ключевом режиме, поэтому параметр К
Iд
для нее не имеет смысла. Передаточная характеристика
определяется входным током тиристорной оптопары, при котором включается фототиристор. Минимальное значение входного
тока, при котором гарантировано отпирание фототиристора,
называется током включения I
вкл
и приводится в паспортных
данных.
Быстродействие оптопар определяют параметры переход-
ной характеристики выходного тока i
вых
(t), получаемой при по-
даче на вход оптрона прямоугольного импульса с амплитудой Iвх
(рис. 6.16):
– время нарастания выходного тока t
нар
;
– время задержки при включении и выключении tзд;
– время спада выходного тока tсп.
Сумма времени задержки и времени нарастания при
включении составляет время включения оптрона:
вкл зд нар
t t t=+
.
(6.11)
Сумма времени спада и времени задержки составляет
время выключения оптрона:
сп здвыкл
t t t=+
.
(6.12)
Быстродействие оптрона характеризуется временем пере-
ключения:
пер вкл вык
t t t=+
.
(6.13)
110
С временем переключения связаны такие характеристики
быстродействия оптрона, как граничная частота или максимальная скорость передачи информации.
Рис. 6.16. Переходные процессы в оптопаре
Макромодели оптоэлектронных приборов
Макромодель фотодиода в системе P-Spice использует эк-
вивалентную схему замещения, представленную на рис. 6.17.
G
D
R
CATHODE
ANODE
IN
Рис. 6.17. Эквивалентная схема замещения фотодиода
t
t
i
вх Iвх
t
0
t
нар
t
зд
t
зд
t
сп
t
вкл tвык
1,0
0,9 0,1
0,5
max
вых
вых
i
i
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]