Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 127 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

– Оптопары универсального назначения (типичный представитель приборы АОД101) характеризуются значениями KI ≈ 1…1,5 %; t

нар(сп)

≈

≈ 100…300 нс. Для них характерен

широкий диапазон рабочих напряжений на фотоприемнике, перекрываемый различными типами приборов.

– Многоканальные оптопары близки по своим параметрам к оптопарам универсального назначения (типичный – АОД109), но благодаря повышенной степени интеграции призваны обеспечить снижение габаритов, массы и на-

Рис. 5.7. Разновидности диодных

оптопар:

а – общего назначения; б – с

варикапом; в – с двусторонним

стабилитроном; г – многоканальная;

д – с двойным светодиодом;

е – c p–i–n-фотодиодом

дежности аппаратуры.

– Оптопары, предназначенные для работы в вентильном режиме (типичный – АОД112) характеризуются повышенным значением

≥ 3…4 %, в отличие от других оптопар этот параметр измеряется

без приложения обратного напряжения на фотоприемнике.

– Бескорпусные оптопары, предназначенные для использования в гибридных микросхемах и микросборках, как правило характеризуются невысоким значением обратного напряжения на фотодиоде. Наиболее быстродействующие (типа АОД120), имеющие

≈ 30 нс, позволяют достигать скорости передачи информации

нар(сп)

вплоть до F = 150…200 Мб/с.

Анализ зависимостей коэффициента передачи тока от режима работы показывает, что для диодных оптопар с p–i–n-фотодиодом подтверждаются основные положения теории фотоприемников и светодиодов (влияние режимов работы отдельных компонентов оптопары рассматриваются в курсе «Φизика полупроводниковых приборов).

Имеется достаточно широкая область входных токов, в которых KI = const; вне этой области, т.е. при малых и больших токах, KI уменьшается; KI очень слабо зависит от обратного напряжения на фотоприемнике (рис. 5.8).

Вентильные вольт-амперные характеристики диодных оптопар (рис. 5.9) при использовании p–i–n-фотоприемника, независимо от типа прибора, описываются приблизительно одинаковыми значениями напряжения холостого хода U личными являются лишь значения токов короткого замыкания I

и коэффициента формы а; раз-

x.x

к.з

Рис. 5.8. Зависимость коэффициента передачи тока от условий

Рис. 5.9. Вентильные характеристики оптопары АОД112А-1

измерения диодной оптопары АОД101А

Основные зависимости динамических параметров оптопар от ус-

ловий их измерения показаны на рис. 5.10.

5.3.2. Транзисторные оптопары

Транзисторные оптопары (рис. 5.11) некоторыми своими свойствами выгодно отличаются от других видов оптронов. Это, прежде всего, схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (опти чески), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном, и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем у фото-

Рис. 5.10. Зависимость динамических параметров диодного оптрона

а – зависимость времени нарастания и спада импульса от входно-

го тока; б – зависимость времени нарастания и спада импульса от

рабочей температуры; в – зависимость времени нарастания и спада

типа АОД101А от условий измерения:

импульса от выходного напряжения

диодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар. Сравнительный анализ параметров типичных отечественных приборов этого класса (см. табл. 5.1) позволяет сделать несколько общих выводов:

– диодно-транзисторные оптопары (ДТ) (рис. 5.11, в), транзисторные (Т) (рис. 5.11, а) и оптопары с составным фототранзистором (Т2) (рис. 5.11, б) по совокупности определяющих параметров существенно отличаются друг от друга;

– наибольшим быстродействием (в субмикросекундном диапазоне) обладают ДТ-оптопары, наименьшим (вплоть до 100 мкс) – Т2-оптопары;

– наилучшими передаточными характеристиками (KI вплоть до 1000 %) обладают Т2-оптопары;

– наивысшие значения коммутируемых токов и напряжений также имеют Т2-оптопары.

На рис. 5.12 приведены зависимости коэффициента передачи транзисторных оптопар от входного тока.

На рис. 5.13 приведены зависимости импульсных характеристик транзисторных оптопар.

Рис. 5.11. Основные виды транзи-

сторных, тиристорных оптопар

и оптопар с фоторезистором:

а – с биполярным транзистором;

б – с составным транзистором;

в – диодно-транзисторная; г – с по-

левым транзистором; д – с тиристо-

ром; е – с однопереходным транзи-

стором; ж – с фоторезистором

Своеобразную разновидность транзисторных оптопар представляют собой приборы с полевым фототранзистором (рис 5.11, г). Воздействие светодиода ведет к расширению канала и тем самым к уменьшению сопротивления сток-исток. Отличительная особенность прибора – линейность и симметричность выходной вольтамперной характеристики в широком диапазоне напряжений и токов, за исключением «нулевой» области (несколько десятков милливольт). Это обеспечивает малые нелинейные искажения при использовании оптопары в аналоговых цепях. Φункционально оптопара с полевым фототранзистором представ-

Рис. 5.12. Типичные зависимости коэффициента передачи тока тран-

зисторных оптопар от входного тока в активном режиме (а) и в режиме

насыщения ДТ, Т, Т2 – соответственно оптопары КОЛ201, АОТ123 и

АОТ110 (б)

ляет собой быстродействующий (инерционность в микросекундном диапазоне) потенциометр с немеханическим управлением.

5.3.3. Тиристорные оптопары

Тиристорные оптопары (см. рис. 5.11, д и табл. 5.1) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродей-

ствию они явно предпочтительней Т2-оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т.п. Приборы подразделяются на группы в зависимости от гарантируемого значения коммутируемого напряжения и тока.

Тиристорные оптопары типов ТО-6,3, ТО-10 и серии ТО2 предназначены для работы в электрических силовых цепях постоянного и переменного тока частотой до 500 Гц. Приборы типов ТО-6,3, ТО-10 выполнены в таблеточном пластмассовом корпусе, а серия ТО2 – в стандартном стеклянном. Во всех этих оптронах в качестве излучателя используется светодиод

Рис. 5.13. Зависимости импульсных

характеристик транзисторных оптопар

от входного тока (а) и рабочей темпе-

ратуры (б)

типа АЛ107 с относительно невысоким значением допустимого прямого тока; поэтому основной режим работы этих оптопар (по входной цепи) – импульсный. Силовые тиристорные оптопары подразделяются на большое число групп в зависимости от максимального значения выходного тока (в серии ТО2-6 групп), выходного напряжения (до 10–13 групп через каждые 100 В), времени выключения (по 3–5 групп в каждом типе), максимально допустимых скоростей нарастания прямого напряжения (у ТО2 допустимо dU пустимо dI

/dt = 20…70 А/мкс). Излучатель в силовых оптопарах

вых

/dt = 20…100 В/мкс) и прямого тока (у ТО2 до-

вых

воздействует на фотоприемник через воздушный зазор, поэтому величины R

разв

и С

определяются исключительно параметрами кор-

разв

пусов.

5.3.4. Резисторные оптопары

Φоторезисторы изготавливаются несколькими способами. Наибольшее распространение получило использование спеченных слоев, полученных методом пульверизации суспензии порошка полупроводника с последующим прокалыванием. Кроме того, ино-

гда используются объемные монокристаллы или тонкопленочные структуры, полученные методом вакуумного напыления.

Стандартная технология изготовления фоторезисторов характеризуется значительной гибкостью и широтой с точки зрения номенклатуры использования полупроводниковых материалов, состава и концентрации активирующих примесей, геометрии фоточувствительной области. Обычно длина этой области l соизмерима с ее шириной d, а толщина W не превышает 1…10 мкм.

Чтобы обеспечить приемлемый для стандартных условий применения уровень R

μэф ≈ 102 см2/(В·с); λ ≈ 0,5 мкм и Р

< 0,5…1 кОм при типичных значениях l/d ≈ 0,1;

св

≈ 30 мВт/см2 необходимо иметь

ф0

τэф ≥ 1…2 мс. Иными словами фоторезисторы с достаточно высокой

чувствительностью должны обладать и большой инерционностью.

Анализ параметров основных типов отечественных резисторных оптопар (см. табл. 5.1) обнаруживает значительное разнообразие этих приборов. Наиболее широко распространенные оптопары типов ОЭП-1, ОЭП-2, ОЭП-3 представляют собой коммутаторы высоковольтных цепей (вплоть до 250 В) и пригодны для управления электролюминесцентными индикаторами. Оптопары ОЭП-9 и особенно ОЭП-10 характеризуются очень высокими значениями Rт и удобны для коммутации высокоомных цепей радиоаппаратуры. Все резисторные оптопары пригодны для использования в линейных схемах, однако наиболее удобны дифференциальные оптопары ОЭП-6, ОЭП-7, ОЭП-14, позволяющие скомпенсировать температурный и временной дрейф параметров.

Анализ типичных зависимостей параметров резисторных оптопар позволяет сделать следующие выводы.

Широкий диапазон изменения сопротивления (от 4–5 до 6–8 порядков) наблюдается для довольно узкого интервала входных токов. Относительно большое значение Rсв приводит к заметному саморазогреву, вследствие чего при выходных токах в несколько миллиампер наблюдается отклонение вольт-амперной характеристики от линейной. При дальнейшем увеличении выходного напряжения возникает отрицательное сопротивление, что и ограничивает предельные возможности фоторезисторов по рассеиваемой мощности.

Очень значительны температурные изменения параметров резисторных оптопар.

6. ΦОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

6.1. Основные параметры фотопреобразователей

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на расстоянии, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина равна 1353 Вт/м При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном благодаря поглощению инфракрасного излучения парами воды, поглощению ультрафиолетового излучения озоном и рассеянию излучения находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, определяется «воздушной массой» (AM), величина которой равна секансу угла межу Солнцем и зенитом (secθ).

На рис. 6.1 приведены четыре кривые, иллюстрирующие спектральное распределение интенсивности солнечного излучения (мощность на единицу площади в единичном интервале длин волн).

Рис. 6.1. Кривые, иллюстрирующие спектральное распределение

солнечной энергии

Верхняя кривая соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы, т.е. при нулевой воздушной массе (АМ0). Это распределение можно аппроксимировать распределением интенсивности черного тела при температуре 5800 К. Спектр АМ0 определяет работу солнечных батарей на спутниках и космических кораблях. Спектр AM1 соответствует распределению интенсивности солнеч-

ного излучения на поверхности Земли, когда Солнце стоит в зените; при этом полная мощность излучения составляет приблизительно 925 Вт/м2. Спектр АМ2 реализуется при падении света под углом θ = 60°. В этом случае полная мощность излучения равна 691 Вт/м2 .

Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения, прошедшего через «воздушную массу», равную 1,5, что соответствует положению Солнца под углом 45° к горизонту. На рис. 6.2 приведено распределение числа фотонов, приходящихся на единичный энергетический интервал на 1 см

за

1 с в условиях АМ0 и АМ1,5.

Рис. 6.2. Спектральное распределение потока фотонов, поступающих

от Солнца в условиях АМ0 и AM1,5

Φотоэлектрические преобразователи энергии (ΦЭП) – это приборы, предназначенные для превращения энергии квантов излучения (в основном солнечной) в электрическую. По физическим принципам действия фотоэлектрические преобразователи энергии не отличаются от фотоприемников. Сравнивая рабочие области

вольт-амперных характеристик фотодиода и фотопреобразователя заметим, что для фотодиода – это область обратных напряжений и токов, а для фотопреобразователей – прямых напряжений и обратных токов. В зависимости от внешнего нагрузочного сопротивления фотопреобразователь может работать в режиме короткого замыкания (R

= 0), когда ток имеет максимальное значение и называется

током короткого замыкания или в режиме холостого хода (Rн = ∞), когда максимальным будет напряжение, которое называется напряжением холостого хода U ности необходимо получить как можно большие значения I

. Для достижения максимальной мощ-

х.х

к.з

и U

х.х

и правильно выбрать нагрузочное сопротивление. Максимальной мощности соответствует напряжение U

и ток I

опт

Напряжение холостого хода зависит от высоты потенциального барьера ϕк, созданного в ΦЭП, максимальное значение которого определяется шириной запрещенной зоны Eg и уровнем освещенности.

Мощность, снимаемая с фотопреобразователя, определяется не только напряжением холостого хода U ния I

, но и формой вольт-амперной характеристики. Коэффициент

к.з

и током короткого замыка-

х.х

заполнения фотопреобразователя m определяется соотношением

m = U

оптIопт

/ U

. (6.1)

х.х Iк.з

Коэффициент полезного действия или эффективность преобразования – это отношение полезной выходной мощности фотопреобразователя к падающей мощности излучения:

η = Р

вых/Рвх

= U

оптIопт/Pвх

= mU

х.х Iк.з/Рвх

. (6.2)

На коэффициент полезного действия фотопреобразователя кроме оптимального выбора полупроводника с требуемой шириной запрещенной зоны влияют потери, вызванные тем, что:

– часть падающего света отражается поверхностью полупроводника;

– не все носители заряда, генерированные фотонами подходящей энергии, разделяются полем p–n-перехода, часть из них рекомбинирует на поверхности или в объеме;

– существуют омические потери преобразованной мощности при прохождении тока через неактивные области фотоприемника: на металлических контактах, на границах металл–полупроводник, на сопротивлении базовой области, определяемой проводимостью исходного материала, на сопротивлении растекания легированного слоя, определяемого уровнем легирования этого слоя и его глубиной.

Для расчета фототока необходимо решить уравнение непрерывности с условием, что генерация носителей заряда определяется скоростью G(x).

В одномерном приближении и условии малого уровня генерации уравнение непрерывности, например для дырок записывается в виде:

éù

dd d

ppp

êú

Dre

êú

xx x

ëû

()

nnn

-+--=

αΦ

()

λλ λ

. (6.3)

Решать это уравнение можно численно или принять ряд допущений, упрощающих решение:

– однородный резкий электронно-дырочный переход с однородным распределением примесей и отсутствием электрического поля в квазинейтральных областях;

– наличие электрического поля в базовой области, которое может быть встроено при неравномерном распределении примеси, если легирование проводилось с помощью диффузии или ионной имплантации.

Значение фототока на данной длине волны можно рассчитать как для фотодиода, а затем найти спектральную чувствительность фотопреобразователя:

= Аф[jn(λ) + jp(λ) + j

(λ)/Pλ], (6.4)

ОПЗ

где jn(λ) и jp(λ) – плотности фототоков неосновных носителей, гене-

рированных в квазинейтральных n- и p-областях шириной Wбп и

Wбр; j

(λ) – плотность фототока за счет носителей, генериро-

ОПЗ

ванных в области пространственного заряда.

Кроме токов, вызванных генерацией носителей заряда квантами излучения, в фотоэлектрических преобразователях протекают и другие токи:

– ток прямосмещенного перехода, протекающий за счет понижения потенциального барьера при освещении;

– рекомбинационная составляющая тока, протекающая за счет рекомбинации части носителей заряда в области пространственного заряда;

– туннельная составляющая тока, возникающая чаще всего в сильнолегированных переходах с малой шириной ОПЗ и узким потенциальным барьером. Туннелирование может осуществляться непосредственно по механизму зона-зона или через глубокие уровни в запрещенной зоне.

Выходной ток, протекающий через нагрузку, равен

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 127 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]