Лавинні фотодіоди

Якщо у фотодіодах використовувати електричний пробій, який супроводжується лавинним помноженням носіїв заряду, як в напівпровідникових стабілітронах, то фотострум, а відповідно, і чутливість значно збільшаться. Темновий струм лавинного фотодіода має приблизно таке ж значення, що і в звичайному фотодіоді, однак при освітленні характеристики цих фотодіодів значно відрізняються. Чутливість лавинних фотодіодів може бути на декілька порядків більша, ніж у звичайних фотодіодах (у германієвих – 200-300 разів, у кремнієвих – в 10 -10разів). Лавинні фотодіоди являються швидкодіючими фотоелектричними пристроями. Їх частотний діапазон може досягати 10ГГц. Недостатком лавиних фотодіодів є більш високий рівень шумів по відношенню з звичайними фотодіодами.

Лавинні фотодіоди можна застосовувати для знаходження світлових сигналів і обрахунків світлових імпульсів в релейних пристроях автоматики.

Фототранзистори

Фототранзистором називають напівпровідниковий фотоелектричний пристрій з двома р-n- переходами. Найбільш всього фототранзистор виготовляють як звичайний плоский транзистор із германію, кремнію, але тільки з двома виводами: колекторним і емітерним. Пристрій і схема включення фототранзистора показана на рис.10.

Світловий потік Ф падає на базову область, тому емітер роблять тонким і не великих розмірів. Під впливом фотонів в базі утворюються нові пари носіїв заряду – електрони і дірки. В фоторезисторі типу р-n-р неосновні носії заряду в базі ( дірки) рухаються через колекторний перехід, поле якого являється для них прискорювачем, на колектор. Створюючи фотострум І , електрони, які залишилися в базі, діють на емітерний перехід, зменшуючи висоту потенціального бар’єра, що призводить до переходу дірок з емітера в базу. Ці дірки рухаються через базу на колектор, викликаючи збільшення фотоструму фототранзистора.

Чутливість фототранзисторів значно вища чутливості фотодіодів і складає 0,5-1А/лм.

На рис.11. приведені вольт-амперні характеристики фототранзистора. Вони аналогічні колекторним характеристикам звичайного транзистора, включеного за схемою з звичайним емітером. Темновий струм у фототранзистора більший, ніж у фотодіода. Енергетичні характеристики фотоструму фототранзистора лінійні. Спектральні характеристики фототранзисторів і фотодіодів, вироблених з однакових матеріалів, не відрізняються один від одного.

Частотні характеристики фототранзисторів значно гірші за частотні характеристики фотодіодів за рахунок ємності емітерного переходу. Гранична частота фототранзистора складає зазвичай декілька кілогерц.

На закінчення відмітимо, що параметри фототранзисторів, так як і фотодіодів, сильно залежать від температури.

Світлодіод – це по структурі звичайний діод, але з дуже “довгою” базою, в якій значна частина енергії, утворена в базі при рекомбінації неосновних носіїв, які прийшли із емітера в провідному стані, виділяється у вигляді випромінювання. Якщо його заключити в світло непроникаючий корпус з напівпровідниковим світлоприймачем, який перетворює енергію випромінювання в струм, то отримаємо оптрон – пристрій, який реалізує повну гальванічну розв’язку без трансформатора. Сучасні оптрони володіють достатньо високою швидкодією (час переключення 100нс, і достатнім ККД: 1-5%). Сполучення оптрона з транзисторною парою дає можливість отримати схему ключа (рис. 12). На жаль, ці схеми поки що дуже дорогі. Час їхнього переключення може досягати 10 мкс. Коли вони призначені для комутації сигналів високого рівня (наприклад, в діапазоні 10В), але при комутації напруг менших 5 В, час переключення може складати близько 1 мкс, так як в ключі можуть використовуватися транзистори з тонкими базами. Наприклад, гібридні ІМС серії К249КН1 мають час затримки переключення до 10 мкс; Ом; МОм; струм витоку до 100 нА при комутуючій напрузі до 30 В. Використовуючи в тій же схемі швидкодіючі діодні опто-пари з часом переключення затримки вихідного струму до 0,1 мкс і транзисторні ключі низького рівня (до 6В), отримуємо повний час переключення близько 1 мкс при Ом і МОм, заряду виходу Q_пом<1nK і С<5 nФ.

Оптронні схеми являються майже ідеальними пристроями ГР і володіють практично КОСС близьким до дуже високих частот. Звичайно оптрон складається з випромінювача – світлодіода і світлоприймача (фотодіода, фототранзистора, фоторезистора, фототеристора), замкнених в загальний корпус інтегральної мікросхеми. Перші три типа фотоприймачів дозволяють передавати як аналогові, так і імпульсні сигнали, останній – тільки імпульсні. Проте всім аналоговим фотоприймачам характерна значна не лінійність характеристик. Не лінійна і залежності інтенсивності випромінювання від протікаючого струму. Тому спроби застосування одиничних оптроних пар для гальванічного поділу вдалі тільки при дуже низьких потребах в точності передачі сигналів. Тривіальний шлях для отримання точних оптроних гальванічних поділів – частотно-широко – імпульсна модуляція (модуляція скважності) з наступним формуванням і усередненням в колі навантаження. Більш делікатне рішення складається в створенні двох ідентичних оптроних пар світлодіод – фототранзистор, включених за схемою рис.13. Тут оптрона пара VDI – VTI включена в зворотній зв’язок ОУІ, тому струм через світлодіод VT1 такий, що компенсує дію вхідного сигналу. При цьому струм колектора фототранзистора VT2 проходячи в вхідному колі ОУ2, створить на виході ОУ2 напругу, рівну вхідному. При високоякісній ізоляції і ідентичних елементів оптронів, яка досягається завдяки інтегральному виконанню, в такій схемі можна отримати погіршення 0,01% при допустимому рівні синфазній перешкоді у вхідному колі до декілька кіловольт. Проте схеми цього типу має звичайно одиничне збільшення, вимагають “плаваючого” джерела живлення для ОУ1 і дуже дорогі із-за труднощів отримання ідеально погоджених по характеристиці оптроних пар.

***