14.4.8. Полевые фототранзисторы

В качестве приемников излучения используются полевые тран­зисторы с управляющим р-n-переходом или МДП-транзисторы. Рас­смотрим полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и кана­лом n-типа (рис. 14.27). Управление током стока в этом транзисторе осуществляется с помощью света. Световой поток генерирует носи­тели заряда в области затвора и перехода затвор-канал. Электриче­ское поле этого перехода разделяет носители заряда. Концентрация электронов в канале увеличивается, сопротивление канала уменьша­ется, ток стока возрастает. Концентрация дырок в области затвора также возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который создает падение напряжения на сопротивлении. Обратное напряжение на пе­реходе канал – затвор уменьшает­ся, ширина его также уменьшается, что приводит к увеличению ширины канала и дополнительному увели­чению тока стока. В фототранзисто­рах типа МДП с индуцированным каналом за счет теплового воздей­ствия удается изменять значение порогового напряжения и крутизну транзистора.

14.4.9. Фототиристоры

Фототиристор представляет собой аналог управляемого тиристора, но переключение его в открытое состояние производится свето­вым импульсом. Структура фототиристора показана на рис. 14.28,а. Принцип действия тиристора рассматривался в гл. 6. Там он был представлен в виде двух условных транзисторов (на рис. 14.28,а со­ответственно ,, , – эмиттеры и базы условных транзисто­ров, и – эмиттерные переходы,коллекторный переход обоих условных транзисторов, У-управляющий электрод).

Переключение фототиристора из закрытого состояния в откры­тое происходит, как у обычного тиристора, – при увеличении до еди­ницы суммы дифференциальных коэффициентов передачи по току и условных транзисторов. Значения этих коэффициентов возрастают при увеличении тока через тиристор. При воздействии све­тового потока в базовых областях условных транзисторов и ге­нерируются неравновесные носители, которые разделяются полем перехода. Через переход протекает фототек, складывающийся с обратным током коллекторного перехода, что и приводит к росту ко­эффициента передачи и переключению тиристора. Вольт-амперные характеристики фототиристора при различных световых потоках по­казаны на рис. 14.28,б. Увеличение светового потокаФ приводит к уменьшению напряжения переключения. Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания светового импульса.

Одним из основных параметров фототиристора является поро­говый поток или мощность излучения, обеспечивающие гарантиро­ванное включение фототиристора при заданном напряжении источ­ника питания. Значение порогового светового потока можно изме­нять за счет тока управляющего электрода.

14.5. Оптопары

Оптопарой называется полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены управляемый источник излучения и фотоприемник, имеющие между собой оптическую связь. Принци­пиальное устрой­ство оптопары и условные обоз­начения диодной и транзисторной оптопар представлены соот­ветственно на рис. 14.29,a-в. Уси­ление или просто преобразование входного электрического сигнала происходит при изменении входного тока, проходящего через светоизлучающий диод, которое вы­дает изменение яркости его свечения. При этом изменяются осве­щенность приемника излучения, его сопротивление и соответственно ток на выходе оптопары. Двойное преобразование энергии из электрической в световую и обратно позволяет передавать энергию из одной электрической цепи в другую.

Основные достоинства оптопар: отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем; широкая полоса частот пропускаемых колебаний; возможность передачи сигналов с частотой от 0 до 10¹⁴ Гц; высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчи­вость к воздействию внешних электромагнитных полей; возмож­ность совмещения в радиоэлектронной аппаратуре с другими мик­роэлектронными приборами.

Интегральная схема, состоящая из нескольких оптопар с до­полнительными устройствами для обработки сигналов, поступаю­щих от фотоприемника, называется оптронной интегральной схемой. В качестве светоизлучателей в оптопарах используют светоизлучающие диоды и лазеры. Диоды имеют высокий КПД преобразования электрической энергии в световую, работают с малыми токами и напряжениями, долговечны. Лазеры используют в быстродействующих системах. Различные типы оптопар отли­чаются друг от друга фотоприемниками. Резисторная оптопара состоит из излучателя – светоизлучающего диода, работающего с видимым или инфракрасным излучением, и приемника – фоторе­зистора, работающего как на постоянном, так и переменном токе. Диодная оптопара состоит из светоизлучающего диода на арсениде галлия и кремниевого фотодиода. Транзисторная оптопара в качестве приемника использует биполярный кремниевый фото­транзистор, работающий в ключевом режиме. В тиристорной оптопаре в качестве приемника используется кремниевый фототиристор, работающий в ключевом режиме.

Важнейший параметр оптопары – коэффициент передачи по то­ку , который определяется спектральным согласованием светоизлучателя, фотоприемника и оптической среды, прозрачностью опти­ческой среды, внешним квантовым выходом и коэффициентом уси­ления фотоприемника.

Оптоэлектронные устройства находят широкое применение как элементы электрической развязки в цифровых и импульсных уст­ройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов, в системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными ис­точниками питания, для формирования мощных импульсов, в ком­мутаторных устройствах, для связи различных датчиков с измери­тельными блоками и т.п.