Фотоэлектрические и излучательные приборы
Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения
E
|
Зона |
|
|
проводимости |
|
hv |
Запрещенная |
|
зона |
||
|
||
|
Eg |
|
|
Валентная |
|
|
зона |
Излучение при рекомбинации
При переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свобод ного электрона и дырки, выделяется энергия такая же, какая была ранее затрачена на переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. В данном случае энергия выделяется в виде фотона (т.е. кванта света).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фотосопротивления, |
|
|
||
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
задачи. Так, для регистрации видимого света используются |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
инфракрасного излучения используются Ge (чистый или |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, |
||||
|
|
|
|
Rн |
|
|
|
HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник |
|||||
|
|
|
|
Uвых |
наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку |
||||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Е |
|
|
|
пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
помещают в защитный корпус. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф = |
|
U = const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Устройство и схема |
const |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
включения фоторезистора |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
U |
б |
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Важнейшие параметры фоторезисторов: |
Вольт-амперная (а) и энергетическая (б) |
||||||||||||
характеристики фоторезистора |
|
||||||||||||
интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания); порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого
фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.
n |
p |
|
Разделение возбужденных
светом носителей полем p–n-перехода
Фотодиоды
Принцип действия фотодиода основан на возникновении ЭДС под действием света Простейший фотодиод представляет собой обычный
полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n- переход.
В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.
При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно- дырочные пары. Эти электроны и дырки называют
фотоносителями.
При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.
400Еф, мкВ
300
200
100
0,2 0,4 0,6 0,8 Ф, лм
Зависимость фотоЭДС от светового потока
Фотодиоды
Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p- области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными
элементами
КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.
Фотодиоды
При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. б).
Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА.
Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.
Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).
Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.
Фототранзисторы
К
р
Rн
Ф
n |
Б |
|
– |
||
|
||
|
Е |
|
|
+ |
р
Э
Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой
Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.
iк
Ф3 > Ф2
Ф2 > Ф1 Ф1 > 0 Ф = 0
Uкэ
Выходные характеристики фототранзистора
При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
Ф |
|
В качестве управляющего |
||
|
|
сигнала используется свет |
||
p1 |
n1 |
|
|
|
П1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
П2 |
Rн |
|
|
n2 |
|
Ф > Ф |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
Ф2 > 0 |
|
П3 |
|
|
Ф1 = |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
|
|
|
– E |
|
Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 U |
|
|
+ |
|
|
|
Структура и схема |
. Вольт-амперная |
включения фототиристора |
характеристика |
|
фототиристора |
Оптроны: характеристики, параметры, применение
|
|
|
1 |
2 |
1 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
Оптопары с открытым оптическим каналом: |
Различные типы оптопар |
|
1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект
Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно
— светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал..
Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности. Прежде всего это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; обычно он выполняется в виде прозрачной среды. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазоре между излучателем и приемником имеется доступ извне; в этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом. Наконец,
прозрачная среда может быть выполнена из материала, светопропускание которого
Оптроны: характеристики, параметры, |
|||
1 |
2 |
1 |
применение |
|
|
||
23
Оптопары с открытым оптическим каналом: |
Различные типы оптопар |
1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект
Классификация По степени интеграции
оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе)
оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них).
По типу оптического канала
соткрытым оптическим каналом
сзакрытым оптическим каналом
По типу фотоприёмника
сфоторезистором (резисторные оптопары)
сфотодиодом
сбиполярным (обычным или составным) фототранзистором
сфотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор.
сфототиристором или фотосимистором.
Оптроны: характеристики, параметры, |
|||
1 |
2 |
1 |
применение |
|
|
||
23
Оптопары с открытым оптическим каналом: |
Различные типы оптопар |
1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект
Области применения:
Механическое воздействие
Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры).
Гальваническая развязка
Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.