Элементы оптронов

Источники света. Хотя в оптронах можно применять в прин­ципе любые источники света, более выгодно использовать све­тодиоды, так как они имеют наибольший квантовый выход при малых токах, наилучшую оптическую связь с фотоприемником (благодаря малым габаритам и низким рабочим температурам) и наибольшую скорость переключения. Как следует из табл. 5.1, в порядке уменьшения внешнего квантового выхода свето­диоды располагаются следующим образом: GaAs: Si (32%), Ga^ALAs (14%), GaP : Zn,0 (12%), GaAs (3—5%) и GaAsi-xPx (0,7%). Выбор того или иного светодиода опреде­ляется требованиями, предъявляемыми к характеристикам оп­тронов и к их стоимости.

а) Светодиоды из GaAs : Si можно получать только методом жидкостной эпитаксии. Время срабатывания этих светодиодов довольно велико (~500 не); для получения высокого к. п. д. нужно либо делать достаточно сложную конфигурацию, либо покрывать светодиод стеклом с высоким показателем преломле­ния.

б) Светодиоды из Gai._*AI*As также получают методом жид­костной эпитаксии, но время срабатывания светодиодов из Gai-xALAs примерно на два порядка меньше, чем время сра­батывания светодиодов из GaAs : Si, а изменяя состав соеди­нения, можно в широких пределах изменять длину волны излу- ченйя. В принципе это наиболее подходящий материал для быстродействующих оптронов.

в) Светодиоды из GaP : Zn,0 изготавливаются также мето­дом жидкостной эпитаксии. Они имеют максимальный кванто­вый выход при малых плотностях тока. К недостаткам этих све­тодиодов относятся большое время срабатывания (~500 не) и нелинейная люкс-амперная характеристика из-за насыщения излучающих центров при больших плотностях тока.

г) Диффузионные светодиоды из GaAs изготавливаются от­носительно легко, и они имеют малое время срабатывания. Од­нако они излучают только в инфракрасной области, где коэффи­циент поглощения кремниевыми фотоприемниками довольно мал; поэтому для эффективной регистрации излучения нужно использовать фотоприемники с толстыми слоями.

д) Светодиоды из GaAsi_xPx изготавливают методом газо­вой эпитаксии; длину волны излучения можно менять, изменяя состав тройного твердого раствора; времена срабатывания малы. В настоящее время соединение GaAsi^P^ получать проще и дешевле, чем Gai_*AI*As. Эти два соединения имеют похожие характеристики, но светодиоды, изготовленные из Gai_^Al^As, имеют на порядок больший к. п. д.

Оптическая связь. Типичные конструкции оптронов показаны на рис. 7.26. В конструкции, приведенной на рис. 7.26, а, свето­диод и фототранзистор смонтированы на отдельных металличе­ских лепестках, и оптическая связь между ними осуществляется через прозрачное пластмассовое покрытие. Прозрачная пласт­масса, кроме оптической связи, обеспечивает также и электри­ческую изоляцию (обычно на уровне 1500 В). Сверху оптрон по­крыт непрозрачной пластмассой.

' Лучшая оптическая связь и электрическая изоляция обеспе­чиваются в конструкции, показанной на рис. 7.26, б. Здесь все оптические элементы расположены на одном лепестке. Вместо прозрачной пластмассы между светодиодом и кремниевым фо­топриемником зажимается прозрачная стеклянная пластинка. Высокая диэлектрическая прочность стекла и фиксированное расстояние между активными элементами позволяют поднять пробивное напряжение до 3500 В. В описанных конструкциях оптическая связь и электрическая изоляция осуществляются с помощью одной диэлектрической среды, а монтаж выполнен в пластмассовом корпусе с двумя рядами выводов. Такие при­боры можно с полным основанием называть оптическими изоля­торами или оптическими элементами связи.

В некоторых случаях необходимо, чтобы расстояние между активными элементами было большим; тогда основное внима­ние обращается на оптическую связь. Например, источник света и фотоприемник можно располагать с разных сторон транспор-

Непрозрачное

покрытие

Элементы оптронов

Стекло

Рис. 7.26. Схемы типичного оптрона в пластмассовом корпусе с двойным ря­дом выводов (а) и оптрона рамочном выводе (б).

ff/tacmtoactofoe

покрытие

детектор-усилитт

/

Элементы оптронов

С&етодиод

тера, так что оптическая связь между ними осуществляется че­рез воздух. Число переносимых транспортером объектов можно подсчитать по числу нарушений оптической связи. Очень важ­ной для оптической связи в будущем средой являются волокон­нооптические световоды. Сообщение о разработке волоконнооп­тического световода длиной, равной нескольким сотням метров**' с потерями менее 20 дБ/км [34а] открывает новые возможности для оптической связи. Интенсивные научно-исследовательские и конструкторские работы в области новых источников света, • фотоприемников и светопроводящих сред довольно подробно описаны в работе [346]. В настоящее время главным стимулом разработок новых светодиодов с улучшенными характеристи­ками является развитие волоконной оптики.

Фотоприемники. Работа фотоприемников обычно определяет­ся следующими параметрами:

а) Квантовый выход определяется как отношение числа ге­нерируемых светом носителей, которые собираются в фотоприем­нике за единицу времени Ijq, к числу падающих на фотоприем­ник за единицу времени фотонов Ф/hv с энергией hv:

11 = {7-24).

б) Коэффициент усиления. Во многих случаях желательно, чтобы коэффициент передачи оптрона ПО току (/вых//вх) был близок к 1 или больше ее. Поскольку в процессе генерации, света коэффициент потерь составляет 20—1000 (соответственно квантовому выходу светодиода) и, кроме того, существуют по­тери света при передаче от светодиода к фотоприемнику, то для получения большого коэффициента передачи по току нужно уси­ливать ток фотоприемника. Проще всего использовать фото­приемник с внутренним усилением, например фототранзистор или фототранзистор Дарлингтона (рис. 7.27). Для таких фото­приемников типичное значение коэффициента усиления состав - .ляет р = 200 —■ 20 000.

в) Время срабатывания определяет полосу пропускания оп­трона. Время срабатывания можно представить в виде [35]

т2 = х + [2,3(3 (1/(о т + RlCc)J, (7.25)

где Те означает время срабатывания светодиода, а второй член представляет собой время срабатывания транзистора. (Большая емкость обедненного слоя перехода коллектор — база заряжает­ся через переход база — эмиттер с постоянной времени, прибли­зительно равной произведению коэффициента - усиления транзи­стора по току р на сопротивление нагрузкй RL и на величину емкости обедненного слоя перехода коллектор — база Сс.) По-

Элементы оптронов

Фототранзистор

Элементы оптронов

Фототранзистор Дарлингтона Рис. 7.27. Схемы оптронов с различными фотоприеминками.

стоянная времени светодиода меньше любого из членов, стоящих в скобках. Постоянная времени транзистора растет с увеличе­нием коэффициента усиления, так что произведение коэффи­циента усиления на ширину полосы пропускания остается почти неизменным.

Зависимость коэффициента передачи по току от времени сра­батывания оптрона для серийно выпускаемых приборов пока­зана на рис. 7.28 [36]. Типичные фотодиоды и фототранзисторы имеют приблизительно одинаковую величину произведения ко­эффициента усиления на ширину полосы пропускания. Для фо­
тотранзисторов Дарлингтона этот показатель хуже, но они удобны в том случае, когда необходим большой коэффициент передачи по току, а время срабатывания может быть не меньше ~ 10 мкс. С другой стороны, недавно разработанный изолиро­ванный диод-транзистор [35] более эффективен, чем описанные простые структуры. Рассмотрим вкратце конструкцию этого быстродействующего прибора, чтобы показать, как свойства фо - топриемника влияют иа оптимальный выбор светодиода.

Оставить комментарий