Электроника и схемотехника (Ерёменко В.Т

реключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении.

Если от одной из баз динисторной структуры сделать отвод (управляющий электрод), то получим управляемый прибор, называемый тиристором (тринистором).

Рис. 4.11. Структурная схема и УГО тиристора с управлением по катоду

Если на переход р2 – n2 (рис. 4.11) подать внешнее смещение (напряжение Uу), то в цепи управления потечёт ток управления Iу, ток через переход р2–n2 увеличивается, вызывая снижение потенциального барьера коллекторного перехода n1–р2. Лавинный пробой перехода n1–p2 произойдёт при меньшем значении внутреннего напряжения, приложенного к этому переходу. В главной цепи тиристора под действием внешнего (анодного) напряжения потечёт ток I, величина которого будет определяться сопротивлением резистора R. С некоторыми допущениями ток в главной цепи можно определить по соотношению:

где α2 Iу – добавка тока управления.

Увеличение тока через переход р2–n2 увеличивает вероятность возникновения лавинного процесса. Поэтому, изменяя ток, можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения. Принцип действия тиристора хорошо иллюстрируется семейством его ВАХ, построенных при разных значениях тока управления (рис. 4.12). ВАХ, соответствующая значению Iу= 0, является по сути ВАХ динистора и определяет предельное значение напряжения между анодом и катодом, которое может без пробоя выдержать тиристор. При отсутствии или недостаточной величине сопротивления резистора R (рис. 4.11) в случае достижения внешним напряжением предельного значения тиристор будет повреждён чрезмерно большим током.

Для рассмотрения работы тиристора в электрической цепи, содержащей источник питания с напряжением U и нагрузочный резистор R, совместим семейство ВАХ тиристора и резистора (рис. 4.12).

Линию нагрузки проводим по точкам U1 / R, U1. Исходная рабочая (характеристическая, изображающая) точка «а» находится на пересечении линии нагрузки с ВАХ тиристора при I у= 0.

Для включения тиристора в его цепь управления подаётся ток управления I у1 > 0. Исходная рабочая точка «а» переместится в положение (а1), которому соответствует ВАХ при токе управления Iу1 и напряжении переключения Uп.

Рис. 4.12. Семейство ВАХ тиристора и резистора при изменении тока управления

Тиристор открывается, что соответствует переходу изображающей точки из положения (а1) в положение (б). Напряжение на тиристоре становится малым и равным Uост, а максимальное значение тока I ограничено сопротивлением резистора R. Чтобы выключить тиристор, нужно либо уменьшить ток в его главной цепи до значения тока удержания (I < Iуд) путем понижения напряжения U до U2 после отключения цепи управления, либо создания в цепи УЭ управляющего тока противоположной полярности. Этот процесс на рис. 4.12 характеризует линия нагрузки, проведённая параллельно первой через точку Iуд,, и отсекающая от оси токовучасток U2/ R. При этом рабочая точка из положения (б1) перейдет в положение (а2), а при восстановлении напряжения – в положение (а).

Внастоящее время тиристоры используются преимущественно

всиловой электронике, как мощные управляемые коммутаторы сило-

вых электрических цепей. Применяются тиристоры не только с одно-

сторонней проводимостью с управлением по катоду либо по аноду,

но и симметричные (симисторы), проводящие ток в обоих направле-

ниях [13]. УГО некоторых видов тиристоров показаны на рис. 4.13.

К основным параметрам тиристора относятся допустимые значе-

ния токов и напряжений, скорости их изменения, время включения –

выключения.

5. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Оптоэлектроника – раздел электроники, изучающий использо-

вание эффекта взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона (3∙1011 – 3∙ 1017) Гц, (1 мм – 1∙ 10-3 мкм) с электронами

в веществах и методы создания оптоэлектронных приборов (ОЭП) и устройств, использующих это взаимодействие для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации [9]. Длина волны излучения определяется соотношением:

Время возникновения идей оптоэлектроники (ОЭЛ) – 50-е годы

ХХ века. Как самостоятельный раздел науки и техники ОЭЛ начала

формироваться в 60-е годы (появление лазеров и излучающих дио-

дов). С 1970-х годов возникла интегральная оптика.

Большинство современных ОЭП и устройств работает в диапазоне волн (0,5 – 1,5) мкм, (6 ·1014– 2·1014) Гц. Работа этих устройств основана на использовании различных видов люминесценции (холодное свечение, продолжающееся после исчезновения облучения), электро-магнито-акусто-оптических эффектов, фотоэлектрических явлений.

Достоинства и преимущества ОЭЛ по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой обусловлены:

–электрической нейтральностью квантов оптического излучения

–фотонов;

–высокой частотой световых колебаний;

–малой расходимостью светового луча (до 1″ ) и возможностью его фокусировки [9].

Электрическая нейтральность фотонов обеспечивает невосприимчивость оптических каналов связи к воздействиям электромагнитных полей, т.е. обеспечивает высокую помехозащищенность; полную гальваническую развязку входных и выходных цепей; двойную (пространственную и временную) модуляцию потока оптического излучения.

Высокая частота световых колебаний обеспечивает высокую информационную емкость оптических каналов связи.

Малая расходимость светового луча позволяет передать энергию оптического излучения с минимальными потерями.

Основными оптоэлектронными элементами являются:

а) источники когерентного (связанного, при сложении усиливающегося) излучения (полупроводниковые лазеры) и некогерентного излучения [излучающие диоды (ИК, УФ, светодиоды)];

б) оптические среды (активные, пассивные); в) приемники оптического излучения (фоторезисторы, фотодио-

ды, фототранзисторы, фототиристоры); г) оптические элементы (линзы, призмы, зеркала, поляризаторы):

–волоконно-оптические элементы [жгуты, фоконы (фокус, ко-

нус)],

–селфоки (self focusing);

–интегрально-оптические элементы (оптические зеркала, фильт-

ры).

Широкое применение находят в электронно-вычислительных средствах излучающие диоды, оптоэлектронные пары, оптоэлектронные переключатели, оптроны, различные классы индикаторов.

5.1. Излучающие диоды

Излучающий диод – это диод, содержащий полупроводниковый р–n-переход, в котором при прохождении электрического тока генерируется оптическое излучение в инфракрасной (ИК), видимой или ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Распространены инфракрасные и излучающие в видимой части спектра диоды (светодиоды). Прохождение тока через р–n-переход в прямом направлении в светодиодах сопровождается рекомбинацией инжектированных носителей заряда. В определенных материалах (GaAs, GaSb, InAs, InSb и т.д.) процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света – фотона, при этом возникает некогерентное свечение люминисценции. Цвет свечения зависит от материала примеси полупроводника: примесь ZnО – красный цвет, азот N – зеленый, (ZnO + N) – желтый, оранжевый. Основные характеристики светодиода (ВАХ и характеристика яркости) показаны на рис. 5.1.

Рис. 5.1. ВАХ и характеристика яркости светодиода

Характеристика яркости имеет нелинейный начальный участок, на котором яркость мала, и линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в десятки раз (рис. 5.1). Именно этот участок чаще всего используется. На этом участке яркость свечения:

где В0 – чувствительность по яркости; Id – ток светодиода;

Iпор – пороговый ток – ток, при котором возможна линеаризация

где Iт –тепловой ток;

φт – тепловой потенциал, М=(0,5 – 2).

В эквивалентной схеме (рис. 5.2, в) обозначено: R – омическое сопротивление кристалла полупроводника и контактов; Rд – сопротивление p–n-перехода, зависящее от тока; Cд – емкость p–n-перехода, зависящая от тока.

Рис. 5.2. Конструкция (а), УГО (б) и эквивалентная схема (в) светодиода

Материалы для светодиодов – арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP и другие.

Основные параметры светодиодов:

1. Сила света – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении. Единица измерения – Вт/ср (ватт/стерадиан) или мКд (миликанделла), яркость измеряется

вКд/м2. Для светодиодов сила света составляет (0,1 – 10) мКд.

2.Цвет свечения (длина волны излучения).

3.Постоянное прямое напряжение – падение напряжения при заданном токе, равное (2 – 4) В.

4.Угол излучения – плоский угол, в пределах которого сила света составляет не менее половины ее максимального значения.

5.Характеристики яркости, ВАХ, КПД преобразования.

5.2. Фоторезисторы

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием излучения. Под действием света в фоторезисторе возрастает концентрация подвижных носителей заряда за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают

электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Фотопроводимость ζф характеризуется изменением электропроводности кристалла по сравнению с его затемненным состоянием:

где n, p – приращения концентраций зарядов в результате облучения;

µn, µp – подвижности отрицательных и положительных зарядов. Конструктивно фоторезистор (ФР) представляет собой пленку полупроводника, сформированную на основании и имеющую отво-

ды, укрепленные в корпусе (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Конструктивное представление и УГО фоторезистора

Свет может облучать поверхность либо параллельно, либо перпендикулярно токоотводящим поверхностям. Основные характеристики фоторезисторов показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. ВАХ (а) и энергетическая характеристика (б) фоторезистора

Фоторезистор – пассивный элемент, ток в нём возникает только при подаче на него напряжения питания U, но величина тока зависит и от величины светового потока Ф, падающего на его поверхность. Ток фоторезистора Iобщ имеет две составляющих: Iф – фототок, обусловленный наличием светового потока; Iт – темновой ток (при

Ф = 0), Iобщ. = Iт + Iф.

Энергетическая характеристика в области малых потоков линейна, затем рост тока замедляется из-за увеличения рекомбинаций носителей заряда.

Основные параметры фоторезистора:

1. Чувствительность – это отношение выходной величины к входной. Обычно используют для ФР токовую чувствительность – отношение приращения фототока к вызвавшему его приращению величины, характеризующей излучение:

а) токовая чувствительность к световому потоку:

Освещенность Е измеряется в Люксах (Кд∙ср/м2). Чаще всего используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1 В.

Чувствительность ФР зависит от материала, из которого они изго-

товлены, что отражают спектральные характеристики [абсолютная

(АСХ) и относительная (ОСХ)]. АСХ – это зависимость чувстви-

тельности от частоты (длины волны) падающего излучения. ОСХ –

это зависимость относительной чувствительности от частоты (длины

волны):

S(λ) = Sабс (λ) / Sабс.мах (λ),

где S(λ), Sабс (λ), Sабс.мах (λ) – соответственно относительная, абсолютная, максимальная абсолютная чувствительности.

Характеристики S(λ) имеют чётко выраженный максимум, соответствующий определённой длине волны облучения для каждого материала (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Вид спектральных характеристик фоторезистора

2.Граничная частота fгр – это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в √ 2 раз по сравнению с чувствительностью немодулированного пото-

ка: fгр = (103 – 105)Гц.

3.Температурный коэффициент фототока:

αт = ∂Iф / ∂Т ∙ 1/ Iф , при Ф = Const, αт = (–10-3– 10-4 ) 1/град.

4.Рабочее напряжение (5 – 100) В.

5.Допустимая мощность рассеяния (0,01 – 0,1) Вт.

5.3.Фотодиоды

Фотодиод (ФД) – полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней проводимости, возникающей при воздействии на него оптического излучения. ФД используется для преобразования оптического сигнала в электрический. Наиболее распространены р–i –n-диоды, в которых толщина высокоомной i-области выбирается так, чтобы обеспечить наилучшие свойства (чувствительность и быстродействие) прибора. р–i–n-структура образуется, если области р и n разделены высокоомным слоем (рис. 5.6) с собственной ( i ) проводимостью для снижения напряженности поля в переходе.

Рис. 5.6. Структура и УГО фотодиода

Действие фотодиода основано на поглощении света вблизи области р–n-перехода, в результате чего генерируются новые носители заряда (электронно-дырочные пары).

Различают два режима работы ФД:

а) фотодиодный, когда имеется источник питания, создающий обратное смещение;

б) вентильный (фотогенераторный), когда такой источник отсутствует.

В фотодиодном режиме возникающие в результате фотогенерации носители зарядов приводят к возрастанию обратного тока, который зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от величины обратного напряжения

(рис. 5.7).

Рис. 5.7. Схема включения и ВАХ ФД в фотодиодном режиме

В вентильном (фотогенераторном) режиме ФД используется как фотогенератор (источник фотоэдс, фотоэлемент).

Фотоэдс Еф зависит от светового потока и свойств полупроводника:

где φт – тепловой потенциал;

Iф– фототок:

Iф = Sинт Ф;

Sинт – интегральная токовая чувствительность; I0 – тепловой ток р–n-перехода.

Основные характеристики и параметры фотодиода: