ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

П л а н л е к ц и и

16.1. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения.

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение.

16.1.Излучательнаягенерацияирекомбинацияносителейзаряда

вполупроводникахподдействиемизлучения.

Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фотоЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. В результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.

Далее рассматриваются наиболее широко применяемые полупроводниковые приборы, работающие в качестве приемников или источников излучения, а также приборы, представляющие собой сочетание источников и приемников излучения и получившие название оптронов. Многие из описанных далее приборов изготовляются не только в виде дискретных элементов для РЭА, но и входят в состав интегральных микросхем.

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2.Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

16.2.Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием излучения. Устройство фоторезистора поясняется на рис. 16.1, а. На диэлектрическую пластину нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 16.1, б. Полярность источника питания не играет роли.

Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление Rт, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет величину 104–107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии на фоторезистор излучения с энергией фотонов, достаточной для генерации пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок), его сопротивление уменьшается.

Ф

3

2

1

а

Rн Uвых

Е

б

Рис. 16.1. Устройство и схема включения фоторезистора

Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, обладающие необходимыми свойствами. Так, например, сернистый свинец и антимонид индия наиболее чувствительны к инфракрасным, а сернистый кадмий – к видимым лучам. Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью отнесенной к 1 В приложенного напряжения:

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

где Ф – световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристики (рис. 16.2). К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и удельной чувствительности следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения сопротивления (может быть до 500), температурный коэффициент фототока ТКФ = ∆I/I ∆T. Значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная в целом для полупроводников, является недостатком и фоторезисторов. Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны. Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.

Рис. 16.2. Вольт-амперная (а) и энергетическая (б)

характеристики фоторезистора

Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, работающие при обратном напряжении, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется

фотодиодным (рис. 16.3).

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

выше. Чем больше световой поток, тем больше ток. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении может возникнуть электрический пробой (штриховые участки характеристик). Энергетические характеристики фотодиода I = f (Ф) при U = соnst линейны и мало зависят от напряжения (рис. 16.5).

Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. А у фотодиодов со структурой p– i–n граничные частоты повышаются до десятков гигагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10–30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. В последнее время разрабатываются фотодиоды на основе сложных полупроводниковых соединений, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляется по планарной технологии (рис.

16.6).

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

Имеется несколько разновидностей фотодиодов. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n-переходе, и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барьером Шоттки используется выпрямляющий контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами. Все фотодиоды могут работать и как генераторы ЭДС.

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны, воздействуя на p–n-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рeкомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для нeосновных носителей, например для электронов, возникших в р- области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в n-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из n-области в р-

–в n-области (рис. 16.7).

Врезультате такого процесса в n- и

р-областях накапливаются избыточные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фотоЭДС (Еф). С увеличением светового потока фотоЭДС растет по нелинейному закону (рис. 16.8). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис. 16.9) возникает фототок IФ = ЕФ/(RН + Ri), где Ri – внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

Первые вентильные фотоэлементы из закиси меди были разработаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

применялись селеновые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой n-типа, на который воздействовал световой поток. Интегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они имели спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фотометрических методов. Значительный интерес представляли сернисто-таллиевые фотоэлементы, которые разработал в СССР Б. Т. Коломиец. У них чувствительность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фотоэлементов – низкие частотные свойства и значительная зависимость интегральной чувствительности от температуры.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые могут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из кремниевых фотоэлементов – это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных батарей непрерывно расширяется.

Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р–n–р со «свободной», т. е. никуда не включенной базой, приведена на рис. 16.10.

На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное.

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде.

Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа n–p–n все происходит аналогично.

Рис. 16.10. Структура и схема включения

фототранзистора со «свободной» базой

Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен.

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы. Характеристики показывают, что при повышенном напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки).

Параметры фототранзисторов – интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10–15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Фототранзисторы, изготовленные диффузионным методом (планарные), могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Помимо рассмотренного биполярного фототранзистора применяются и другие. Составной фототранзистор представляет собой фототранзистор, соединенный с обычным транзистором. Составной транзистор имеет коэффициент усиления тока β, равный произведению коэффициентов

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

меньшем напряжении включается тиристор. Это наглядно показывают вольтамперные характеристики фототиристора, приведенные на рис. 16.14. После включения на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей (р1 или п2). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием светового потока.

Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные достоинства фототиристоров – малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения.

Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами,

называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой.

Важнейшие достоинства оптронов:

1.Отсутствие электрической связи между входом и выходом и

обратной связи между фотоприемником и излучателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать 1014 Ом, а проходная емкость не превышает 2 пФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей

пикофарада.

2.Широкая полоса частот пропускаемых колебаний, возможность передачи сигналов с частотой от нуля до 1014 Гц.

3.Возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть.

4.Высокая помехозащищенность оптического канала, т. е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей.

5.Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1.Относительно большая потребляемая мощность из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок.

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2.Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

2.Невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.

3.Заметное ухудшение параметров с течением времени.

4.Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Конструктивно в оптронах излучатель и приемник излучения помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем (рис.

В другом варианте оптопар с открытым каналом световой поток излучателя попадает в фотоприемник, отражаясь от какого-либо объекта (рис. 16.16, б).

Рис. 16.16. Оптопары с открытым оптическим каналом:

1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.

Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца. Фоторезистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам.

На рис. 16.17 схематически изображена резисторная оптопара (светодиод и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку Rн. Напряжение Uynp, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления (цепь излучателя) изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения, например

220В.

Вкачестве параметров резисторных оптопар обычно указываются максимальные токи и напряжения на входе и выходе, выходное сопротивление при нормальной работе и так называемое темновое выходное сопротивление (соответствующее темновому току при отсутствии входного

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

Многоканальные диодные оптопары имеют в одном корпусе несколько оптопар. Масса оптопары составляет примерно один грамм или десятые доли грамма. Оптопары оформлены в металлостеклянном корпусе, а для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопары.

Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных микросхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оптопар – оптопары, в которых фотоприемником служит фотоварикап (рис. 16.18, б).

Транзисторные оптопары (рис. 16.18, в) имеют обычно в качестве излучателя арсенид-галиевый светодиод, а приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа п–р–п. Основные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диодных оптопар. Дополнительно указываются максимальные токи, напряжения и мощность, относящиеся к выходной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и выключения, параметры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.

Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован составной транзистор (рис. 16.18, г) или фотодиод с транзистором (рис. 16.18, д). Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстродействием, а наибольшее быстродействие характерно для диодно-транзисторных оптопар.

В качестве приемника излучения в оптопарах применяются также однопереходные транзисторы (рис. 16.18, в). Такие оптопары обычно используются для ключевых схем, например для управляемых релаксационных генераторов, создающих импульсы прямоугольной формы. Однопереходный фототранзистор универсальный: его можно использовать как фоторезистор, если не включен эмиттерный переход, или как фотодиод, если включен только один этот переход.

Разновидность транзисторных оптопар – оптопары с полевым фототранзистором (рис. 16.18, ж). Они отличаются хорошей линейностью выходной вольт-амперной характеристики в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.

Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис. 16.18, з) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования – схемы для формирования мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками. Параметры тиристорных оптопар –

ЛЕКЦИЯ 16. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

16.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: хар-ки, параметры, применение.

входные и выходные токи и напряжения, соответствующие включению, рабочему режиму и максимальным допустимым режимам, а также время включения и выключения, параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Рис. 16.18. Различные типы оптопар

Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах изготовляемых на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенность ОЭ ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратной связи.

Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифробуквенной индикации. Кроме ряда параметров, аналогичных параметрам обычных оптопар, для ОЭ ИМС еще характерны входные и выходные токи и напряжения, соответствующие логическим единице и нулю, время задержки включения и выключения, напряжение источника питания и потребляемый ток.

Существуют типы оптронов, например с оптическим входом и выходом, служащие для преобразования световых сигналов, индикаторные ОЭ ИМС с несколькими встроенными светодиодами или с сегментным светодиодным индикатором. Техника на основе оптоэлектронных приборов весьма перспективна и непрерывно развивается.