Фоточувствительные приборы.

Это электронные приборы реагирующие на световую энергию. К ним относятся фотосопротивления, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Фоторезисторы применяются в оптронах. В системах оптической связи используются фотодиоды. В системах автоматики – фототранзисторы и фототиристоры.

Фотодиод имеет p-n переход, который включается в обратном направлении, рис. 22. При облучении светом областей, происходит следующее.

.

Рис. 22.Фотодиод.

Если энергия фотоны больше ширины запрещенной зоны W_ф > ΔW, то его воздействие приводит к образованию электронно-дырочной паре, рис. 23. в примесном полупроводнике увеличивается количество неосновных носителей: в n – полупроводнике дырок а в р – полупроводнике электронов.

Рис. 23. Генерация электронно-дырочных пар.

Все это возможно при определенных частотах излучения ν или при определенных длинах волн λ, так как от этого зависит энергия фотона, W_ф =hν=hc/λ, где с – скорость света.

Неосновные носители определяют обратный ток. Следовательно, чем больше мощность света, тем больше обратный ток фотодиода. Так формируется характеристика фотодиода, рис. 24.

Рис. 24. Вольт – Амперная характеристика фотодиода

При отсутствии светового потока имеется темновой ток Iт, при наличии - фототок Iф. Основные характеристики фотодиода следующие.

1. η – коэффициент чувствительности, .

2. Спектральнае характеристика, η=f(λ), ее вид показан на рис. 25.

Рис. 25. Спектральная характеристика фотодиода.

Она имеет выраженный избирательный характер. При больших длинах волн, частота мала, мала и энергия фотона. Он не способен создать электронно-дырочную пару. При малых длинах волн частота велика, но оптическая волна быстро затухает в кристалле. Происходит ограничение активного объема участвующего в генерации. Под действием этих факторов и формируется спектральная характеристика. Пик чувствительности определяется в основном материалом полупроводника. У кремния это 400 – 1000 нм, у германия 600 – 1600 нм, арсенида галлия 800 – 1000 нм.

3. Собственные шумы. Это внутренние помехи, мешающие принимать слабые сигналы. Их наличие объясняется дискретной структурой электрического заряда и случайной его энергией.

4. Инерционные свойства, определяются структурой и материалом.

Для современных систем связи нашли применения иные структуры фотодиодов, имеющих улучшенные свойства, это прежде всего коэффициент чувствительности и шумовые параметры.

P-i-n диод, рис. 26, имеет широкий слой собственной проводимости i.

Рис. 26. p-i-n – фотодиод.

Благодаря его ширине, 90% излучения поглощается в i слое, его большой объем участвует в генерации электронно-дырочных пар. Характер движения носителей в I области дрейфовый под действием сильного электрического поля. Такое движение малоинерционное. Таким образом, достигается высокая чувствительность и высокое быстродействие уже при небольших обратных напряжениях.

Лавинный фотодиод. Его структура показана рис. 27. это более сложная структура, в которую добавлен еще один р – слой с небольшим количеством примеси. Его сопротивление велико и при обратном напряжении в нем

Рис. 27. Лавинный фотодиод.

возникает большая напряженность электрического поля. При облучении i слоя электроны попадая в р-слой ускоряются до больших скоростей и начинается процесс ионизации нейтральных атомов. Число носителей тока увеличивается и, как следствие, увеличивается и фототок. Поэтому чувствительность лавинного фотодиода значительно выше, чем у p-i-n. К его недостаткам относится повышенный уровень шумов из-за случайной природы лавинного процесса.

Оптроны

Это электронные приборы в которых совместно используются источники света (обычно светодиоды) и различные приемники световой энергии. Из них составляется единая конструкция с внутренней либо электрической связью, либо оптической, рис. 28 .

Рис. 28. Оптроны, А)- с внутренней электрической связью, Б)- диодный с

внутренней оптической связью.

Здесь VD1- фотодиод, VD2-светодиод.

В варианте А) фотодиод изменяет свое сопротивление под действием падающей мощности света, ток в цепи меняется, и мощность излучения светодиода растет. Входная и выходная мощности могут иметь различную длину волны. Следовательно, такое решение - преобразователь спектра; можно, например, изображение из ультрафиолетовой области спектра перенести в видимую.

В системах связи более распространен оптрон варианта Б). на рис. 29 показано включение такого оптрона.

U_вых

Вход

+ СИД ФД

I_пр

-

выход

Рис. 29. Включение диодного оптрона.

Ток во входной цепи вызывает свечение светодиода, а под действием его мощности меняется сопротивление фотодиода, ток в выходной цепи и выходное напряжение. Достоинством такого «оптронного» решения является то, что между входным и выходным напряжением отсутствует гальваническая (проводная) связь, вход и выход связаны только световым потоком.

Решение подобной задачи возможно с помощью трансформатора, который имеет большие габариты, вес и плохо вписывается в решения микроэлектроники.

Помимо диодного оптрона существуют и другие подобные решения, это резистивные оптроны, транзисторные оптроны, тиристорные оптроны.