16.20Диодные оптопары

Рис. 6. Условные обозначения оптопар

Диодные оптопары (рис. 6,а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине К_i можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

Транзисторные и тиристорные оптопары

Транзисторные оптопары (рис. 6, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока К_i, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 6, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т²-оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п. 

Резисторные оптопары

Резисторные оптопары (рис. 6, d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении.

22. Фототранзистор.Фототранзистор (рис. 20,а) в электрическую цепь включается обычно по схеме с общим эмиттером. База фототранзистора может не иметь внешнего вывода (оборванная база). Современные фототранзисторы часто имеют внешний базовый электрод. Рассмотрим работу фототранзистора в схеме (рис. 21). Под действием излучения начинается генерация носителей в базе, которые разделяются коллекторным переходом. Дырки уходят через переход в область, а электроны остаются в базе. Поле, создаваемое объёмным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счёт тока базы (I=0), поэтому поле объёмных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет роль тока базы. Соответственно выходные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам биполярного транзистора (рис. 22), т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор даёт усиление тока в b раз больше, а интегральная чувствительность фототранзистора S_ф=S_фдb, где S_фд- токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом транзистора; b- коэффициент усиления транзистора. Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзистора по сравнению с фотодиодом. Однако это преимущество обычно достигается за счёт снижения температурной стабильности прибора, так как фототранзистор работает при постоянном токе базы. Вообще говоря, у фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно возрастает темновой ток:

I_Т = I_к0(1+b)

где I_к0- тепловой ток транзистора.

Применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов затрудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и малое время переключения требуют уменьшения толщины базовой области w_s, что обычно приводит к снижению фоточувствительности прибора. Компромисс определяет относительно низкое быстродействие фототранзисторов (t_пер»10^-5 c).

Рис. 21. Принцип работы фототранзистора

Рис. 22. Выходные характеристики фототранзистора

Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприёмниках с внутренним усилием, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора (рис. 23,б). Раздельная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фотодиод и высокочастотный транзистор в единой структуре (рис. 23,а). Такая структура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усилением по току.

Рис. 23. Структура фотодиода – транзистора

Фототиристор. Рассмотрим четырехслойную р-п-р-п структуру фототиристора (рис. 24).

Рис. 24 Принцип работы фототеристора

К структуре приложено прямое напряжение (положительный полюс к аноду, отрицательный к катоду).

На рис.25 приведено семейство вольтамперных ха­рактеристик фототиристора, освещаемого монохроматиче­ским светом с различной мощностью излучения.

Рис. 25 Семейство вольт-амперных характеристик фототеристора

Сравнительная характеристика. В заключение этого раздела следует провести сравнение параметров фо­топриемников с точки зрения их применения. Фототранзи­сторы рядом своих свойств выгодно отличаются от других типов фотоприемников. Это прежде всего схемотехническая и функциональная гибкость. Она обеспечивается тем, что выходным током в фототранзисторах можно управлять как оптически (с помощью оптического излучения), так и электрически (по цепи базы). Выходная цепь фототранзи­стора может работать в линейном и ключевом режимах. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, фотодиодов, что делает их пригодными для пе­реключения широкого класса электронных цепей. Транзисторные фотоприемники на основе структуры фото­диод — транзистор обладают наилучшим быстродействием (около 1 мкс) и коэффициентом усиле­ния.

Исключительная область применения фототиристоров — переключение больших мощностей, где они практически не имеют конкурентов.

24. Не секрет, что p-n переход может преобразовывать свет в электроэнергию. В школьных опытах нередко проводят эксперимент с транзистором со спиленной верхней крышкой, позволяющей свету падать на p-n переход. Подключив к нему вольтметр, можно зафиксировать, как при облучении светом такой транзистор выделяет мизерный электрический ток. А если увеличить площадь p-n перехода, что в таком случае произойдет? В ходе научных экспериментов прошлых лет, специалисты изготовили p-n переход с пластинами большой площади, вызвав тем самым появление на свет фотоэлектрических преобразователей, называемых солнечными батареями.

Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на неё.

В структуре солнечной батареи используется p-n переход и пара электродов для снятия выходного напряжения

На картинке выше можно видеть, что верхний слой p-n перехода, который обладает избытком электронов, соединен с металлическими пластинами, выполняющими роль положительного электрода, пропускающими свет и придающими элементу дополнительную жесткость. Нижний слой в конструкции солнечной батареи имеет недостаток электронов и к нему приклеена сплошная металлическая пластина, выполняющая функцию отрицательного электрода.