Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки мА на

люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой

длине

волны,

различной для разных полупроводников.

Инерционность

фотодиодов

невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен МГц. А у фотодиодов со

структурой p-i-n

граничные частоты повышаются до десятков ГГц. Рабочее напряжение у

фотодиодов

обычно

10-30

В.

Темновой ток не превышает 20

мкА для германиевых

приборов и

2

мкА

–

для кремниевых.

Ток при освещении составляет сотни мкА. В

последнее время разработаны фотодиоды на сложных полупроводниках, наиболее

чувствительных к инфракрасному излучению. Большинство фотодиодов изготовляется по

планарной технологии

(рис.4.6).

Имеется несколько разновидностей фотодиодов.

У

лавинных

фотодиодов

происходит лавинное размножение носителей в p-n-переходе и за счет этого в десятки раз

возрастает

чувствительность.

В

фотодиодах с барьером Шотки имеется контакт

полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстродействием. Все фотодиоды

могут работать и как генераторы ЭДС, о чем пойдет речь далее.

Фотоэлементы

Полупроводниковые

фотоэлементы,

иначе

называемые

вентильными

или

фотогальваническими,

служат

для

преобразования

энергии

излучения

в

+

электрическую

энергию.

По

существу

они

р

n+

представляют собой фотодиоды,

работающие без

источника внешнего напряжения и создающие

n

собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны,

воздействуя на

p-n-переход и

прилегающие

к

нему

области,

вызывают

Рис.4.6.

Принцип устройства планарного

генерацию пар носителей заряда.

Возникшие в p-

фотодиода

и

n-областях

дырки

и

электроны

диффундируют

к

переходу,

и

если они не

успели

рекомбинировать,

то

попадают

под

n

+

-

p

действие

внутреннего

электрического

поля,

-

имеющегося

в

переходе.

Это

поле

также

действует и на носителей заряда,

возникших в

+

самом переходе.

Поле разделяет электроны и

дырки.

Для неосновных носителей,

например

для электронов,

возникших в

p-области,

поле

Рис.4.7.

Разделение возбужденных

перехода

является

ускоряющим.

Оно

перебрасывает

электроны

в

n-область.

светом носителей под действием поля

p-n-перехода

Аналогично дырки перебрасываются полем из

n-области

в

p-область.

А

для

основных

+

носителей поле перехода является тормозящим,

и

эти носители остаются в своей области,

т.е.

дырки

IФ

RН

остаются в p-области, а электроны – в

n-области

(рис.4.7).

-

В результате такого процесса в

n- и

p-

областях

накапливаются

избыточные

основные

Рис.4.9. Схема включения

носители,

т.е.

создаются соответственно

заряды

фотоэлемента

электронов и дырок и возникает разность

потенциалов, которую называют

фото-ЭДС

(Еф). С

увеличением светового потока фото-ЭДС растет по

В

настоящее

время

наиболее

широкое

распространение

получили

кремниевые

Еф

фотоэлементы,

используемые

в

качестве

солнечных

преобразователей.

Они преобразуют

мкВ

энергию солнечных лучей в электрическую, и

ЭДС их достигает уже более

0,5В.

Из

таких

элементов

путем

последовательного

и

параллельного

соединения создаются

солнечные

0

Ф,лм

батареи, которые обладают сравнительно высоким

Рис.4.8.

Зависимость фото-ЭДС

КПД (до

20%)

и

могут развивать мощность до

от светового потока

нескольких

кВт.

Солнечные

батареи

из

кремниевых

фотоэлементов

– это основные источники питания на искусственных

спутниках Земли,

космических кораблях, автоматических метеостанциях и др.

Фототранзисторы

Значительно выше по сравнению с

фотодиодами

интегральная чувствительность

у

K

фототранзисторов. Биполярный фототранзистор

представляет собой обычный транзистор,

но в

p

RH

корпусе его сделано прозрачное «окно»,

через

которое световой поток может воздействовать на

-

-

-

область базы.

Схема

включения биполярного

Ф

+

+ +

Б

-

фототранзистора типа

p-n-p со «свободной», т.е.

n-

-

-

E

никуда не

включенной,

базой, приведена

на

+

+ +

+

рис.4.10.

Обычно

на

эмиттерном

переходе

p

напряжение прямое, а на коллекторном

–

обратное.

Э

Фотоны вызывают в базе генерацию пар

носителей

заряда

– электронов и дырок.

Они

диффундируют к коллекторному переходу,

в

Рис.4.10.

Структура и схема включения

котором происходит их разделение так же,

как и

фототранзистора со «свободной» базой

в фотодиоде.

Дырки

под действием поля

3

2

коллекторного перехода идут из базы в коллектор и

увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в

IК

Ф2>Ф1

базе и повышают прямое напряжение эмиттерного

перехода,

что

усиливает

инжекцию

дырок

в этом

Ф1>0

переходе. За счет этого дополнительно увеличивается

ток коллектора.

В

транзисторе типа

n-p-n

все

Ф = 0

происходит аналогично.

Интегральная

чувствительность

у

фототранзистора в десятки раз больше,

чем

у

0

UКЭ

фотодиода, и может достигать сотен мА на люмен.

Выходные

характеристики

фототранзистора

Рис.4.11.

Выходные характеристики

показаны

на

рис.4.11. Они аналогичны

выходным

фототранзистора

Тиристорные

четырехслойные структуры

p-

Ф

n-p-n

(рис.4.12)

могут

управляться

световым

n1

потоком,

подобно

тому,

как триодные

тиристоры

р1

П1

управляются напряжением,

подаваемым на один из

+

+

эмиттерных

переходов.

При

действии

света

на

+

+

+

П2

RH

область

базы

p1

в

этой

области

генерируются

n2

электроны и дырки,

которые диффундируют к p-n-

переходам. Электроны, попадая в область перехода

П3

П2,

находящегося под обратным напряжением,

+

+

+

уменьшают

его

сопротивление.

За

счет этого

p2

происходит

перераспределение

напряжения,

приложенного к тиристору: напряжение на переходе

- E +

П2

несколько

уменьшается,

а

напряжение на

Рис.4.12.

Структура и схема

переходах

П1

и

П3

несколько

увеличиваются.

Но

включения фототиристора

тогда усиливается инжекция в переходах П1 и П3, к

переходу П2 приходят инжектированные носители,

i

его сопротивление снова уменьшается и происходит

дополнительное

перераспределение

напряжения,

Ф3>Ф2

еще больше усиливается инжекция в переходах П1 и

Ф2>Ф1

Ф1=0

П3,

ток

лавинообразно нарастает

(см.

штриховые

линии на рис.4.13), т.е. тиристор отпирается.

Чем больше световой поток, действующий на

тиристор,

тем при меньшем напряжении включается

Uвкл3

Uвкл2 Uвкл1

u

тиристор.

Это наглядно показывают вольтамперные

характеристики

фототиристора,

приведенные

на

Рис.4.13. Вольт-амперные

рис.4.13.

После

включения

на

тиристоре

характеристики фототиристора

устанавливается небольшое напряжение и почти все

напряжение источника Е падает на нагрузке.

Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических

устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений

и мощностей.

Важные достоинства фототиристоров

–

малое потребление мощности во

включенном

состоянии,

малые

габариты, отсутствие искрения,

малое (доли секунды)

время включения.

Оптроны

Оптрон –

это полупроводниковый прибор,

в котором конструктивно объединены

источник и приемник излучения,

имеющие между собой оптическую связь.

В источнике

излучения электрические сигналы преобразуются в световые,

которые воздействуют на

фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы.

Если оптрон имеет только

один излучатель и один приемник излучения,

то его называют

оптопарой или

элементарным оптроном. Микросхема,

состоящая из одной или нескольких оптопар с

дополнительными согласующими и усилительными устройствами,

называется

оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются

электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами.

Цепь излучатель является управляющей,

а цепь фотоприемника – управляемой.

Конструктивно в оптронах излучатель и

приемник

излучения

помещаются

в

корпус

и

2

заливаются оптически прозрачным клеем (рис.4.14).

3

Важнейшие достоинства оптронов:

1.

Отсутствие

электрической

связи

между

входом и выходом и обратной связи между

фотоприемником и излучателем.

1 - излучатель;

2.

Широкая

полоса

частот

пропускаемых

колебаний,

возможность передачи сигналов

2 - оптически прозрачный клей;

с частотой от

0 до 1014 Гц.

3 –

фотоприемник

3.

Возможность

управления

выходными

Рис.4.14. Принцип устройства

сигналами

путем

воздействия

на

оптическую часть.

оптопары

4.

Высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к

воздействию внешних электромагнитных полей.

5.

Возможность

совмещения

в

РЭА

с

другими полупроводниковыми и

микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1.

Относительно большая потребляемая мощность,

из-за того, что дважды происходит

преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок.

2.

Невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.

3.

Заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени.

4.

Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

5.

Необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и

совершенной

планарной

технологии

(в одном приборе объединены источник и

приемник излучения, сделанные из разных полупроводников).

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.

Резисторные

оптопары

имеют в качестве

излучателя

сверхминиатюрную лампочку

накаливания

или

светодиод,

дающий видимое или инфракрасное

излучение.

Приемником

излучения

является

Uупр

RH

фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия

для

видимого излучения, а

для

инфракрасного

–

из

E

селенида или сульфида свинца.

Фоторезистор может

работать как на постоянном, так

и на переменном токе.

Рис.4.15. Схема включения

Для

хорошей

работы

оптопары

необходимо

резисторной оптопары

согласование излучателя и фоторезистора по

спектральным характеристикам. Схема включения резисторной оптопары изображена на

рис.4.15.