Транзисторные оптопары

Как правило, в этих оптопарах используются планарные фототранзисторы со структурой n-p-n на основе кремния и GaAs излучающие диоды. Конструктивно излучающий диод расположен таким образом, что вся энергия излучения направлена на базовую область транзистора. Если вывод базы фототранзистора оставить свободной, то будет иметь место режим с оборванной базой.

В этом случае генерированные в базе носители разделяются коллекторным переходом, образуя первичный фототок . Фотодырки, оставшиеся в базе, заряжают ее положительно и подсмещают эмиттерный переход в прямом направлении. При этом эмиттер начинает инжектировать в базу электроны. Большая часть этих электронов проходит в коллектор, а другая часть рекомбинирует в базе с фотодырками и дырками, образующими обратный ток коллекторного перехода.

При этом должно выполняться условие электрической нейтральности базы:

.

С другой стороны, коллекторный ток состоит из трех составляющих:

.

Подставляя значение , получим:

,

т.е. фототок является управляющим током базы и усиливается в раз.

Однако такой режим характеризуется высокой температурной нестабильностью, связанной с протеканием сквозного тока , который экспоненциально зависит от температуры. Поэтому между выводом базы фототранзистора и его эмиттером рекомендуется включать внешний резистор МОм. Он повышает температурную стабильность характеристик оптопар, но одновременно снижает фоточувствительность приемника.

Параметры структуры фототранзистора обычно не оптимальны для выполнения усилительных функций. Для достижения высокой фоточувствительности фототранзистор имеет толстую базу и развитую площадь коллекторного перехода при малой площади эмиттера. Поэтому не превышает нескольких десятков, и одиночный фототранзистор не в состоянии компенсировать потери в излучающем диоде и оптической среде. В то же время фототранзистор имеет более сложную структуру, чем фотодиод, поэтому процессы накопления и рассасывания неравновесных носителей в нем более длительные, что определяет на порядок меньшее быстродействие транзисторных оптопар по сравнению с диодными.

Выходные характеристики этих оптопар качественно не отличаются от выходных ВАХ транзисторов в схеме с общим эмиттером.

Следует отметить, что передаточная характеристика с увеличением входного тока становится нелинейной, что определяется зависимостью усилительных свойств транзистора от уровня коллекторного тока.

Для увеличения в транзисторные оптопары вводят составные транзисторы. Это позволяет увеличить до 5000 %. Однако при этом значительно снижается быстродействие и ухудшается температурная стабильность.

Вообще диодные и транзисторные оптопары характеризуются добротностью, которая определяется так:

.

Наиболее быстродействующими оптопарами с достаточно высоким являются диодно-транзисторные оптопары, в которых функции генерации и усиления фототока разделены. В некоторых оптопарах фотоприемник состоит из фотодиода и усилительного транзистора, а в других он содержит фотодиод и составной транзистор, включенный по схеме Дарлингтона.

Схемотехническая гибкость транзисторных оптопар проявляется в том, что током нагрузки можно управлять как по цепи излучателя (оптически), так и по базовой цепи фототранзистора (электрически), а также в том, что их выходная цепь может работать в линейном и в ключевом режимах. Это выгодно отличает транзисторные оптопары от других типов оптопар. Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и ключевых коммутаторах сигналов, схемах согласования всевозможных датчиков с измерительными устройствами, для гальванической развязки в линиях связи, в качестве оптоэлектронных реле и др.

В фотогальваническом режиме внешнее напряжение к переходу не прикладывается, и он работает как генератор фото ЭДС (рис. 4.6).

Рис. 4.6.

При холостом ходе неравновесные фотоносители, переброшенные внутренним полем ООЗ в противоположные p- и n-области, не смогут уходить во внешнюю цепь и заряжают область n отрицательно, а область р положительно. В результате на внешних контактах p-n перехода появляется некоторая разность потенциалов, которую называют напряжением фото ЭДС. Эта фото ЭДС снижает высоту потенциального барьера и способствует появлению потока основных носителей, образующих диффузионный ток I_диф. При Ф=const фото ЭДС U_фо становиться равной такой величине, при которой I_диф = I_ф(Ф).

=I_ф(Ф

Из этого выражения можно определить

.

В фотодиодном режиме фотодиод работает при обратном смещении на переходе (рис. 4.5).

Рис. 4.5

При этом все разделяемые фотоносители уходят во внешнюю цепь фотодиода, увеличивая его тепловой ток I₀ на величину фототока I_ф(Ф). Следует отметить, что сумма этих токов не зависит от величины обратного приложенного напряжения и определяется лишь освещенностью p-n перехода.

.

При работе p-n перехода в качестве фотоприемника последовательно с ним включается нагрузочное сопротивление, на котором выделяется полезный выходной сигнал.