Классификация и параметры оптронов
Одним из основных элементов оптоэлектронных цепей является оптрон, представляющий собой оптически связанную пару из электрически управляемого источника оптического излучения и фотоприемника, электрические характеристики которого могут в достаточно широких пределах изменяться в зависимости от интенсивности излучения.
В основу классификации оптронов могут быть положены различные критерии.
Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению. Здесь различают оптроны трех типов:
- оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначенные для усиления к преобразования излучения;
- оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных сопротивлений;
- оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов. Иными критерием для классификации оптронов может служить тип применяемого фотоприемника, выбором которого в основном определяются параметры оптронов. По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды (рис. 7.6, а), одиночные фототранзисторы (рис. 7.6, б), составные фототранзисторы (рис. 7.6, в), фототиристоры (рис. 7.6, г) и фоторезисторы (рис. 7.6, <)).
Бег Рис. 7.6. Условные обозначения оптопар
К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока, сопротивление развязки и быстродействие.
Коэффициент передачи тока К, определяется как отношение тока на выходе оптрона к току на входе
Где т] = --- ---------- квантовая эффективность излучателя, определяемая отношением числа
Излученных квантов Ыи к числу электронов, прошедших через /?—и-переход излучателя /вх/#; к — коэффициент, характеризующий передачу света от излучателя к фотоприемнику; г)ф„ — эффективность фотоприемника, определяемая как отношение числа носителей заряда, прошедших в выходной цепи, к числу поглощенных квантов; С — коэффициент усиления.
Увеличение коэффициента передачи — одна из основных задач, которые стоят при конструировании оптронов, поэтому целесообразно проследить возможность повышения каждой из его составляющих.
Увеличение квантовой эффективности излучателя может быть достигнуто за счет повышения доли излучательных переходов в процесс рекомбинации, что связано с:
- совершенствованием структуры и повышением чистоты полупроводникового материала;
- использованием для излучателей непрямозонных полупроводников, в которых процесс излучательной рекомбинации связан с наличием мелких рекомбинационных центров, в силу чего излучаются кванты, энергии которых меньше энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны полупроводника, и, следовательно, вероятность поглощения которых в полупроводнике существенно снижается;
- использованием кристаллов специальной формы (например, полусферической) и покрытий с коэффициентами преломления, близкими к коэффициенту преломления полупроводника, для снижения потерь, связанных с полным внутренним отражением на границе раздела полупроводника с окружающей средой.
Эффективность фотоприемника определяется его электрофизическими и структурно-топологическими параметрами. Выбор оптимального сочетания этих параметров при конструировании фотоприемника с учетом требований к его спектральной характеристики позволяет повысить эффективность т]фп. Высокая спектральная согласованность фотоприемника и
ИЗЛучатеЛЯ-------- ОДНО ИЗ ОСНОВНЫХ СреДСТВ ПОВЫШеНИЯ Т]ф„.
Повышение к состоит в снижении зазора между излучателем и фотоприемником и оптимальном выборе оптической среды между ними. Кроме того, повышение к может быть достигнуто снижением коэффициента отражения на границе оптической среды и фотоприемника за счет нанесения просветляющего слоя. Показатель преломления слоя
Пс должен быть равен («м — показатель преломления покрываемого материала),
X
А разность фаз падающей и отраженной волн п с! =—(2/я + 1) должна быть кратной я.
4
(Здесь к — длина волны; <1 — толщина просветляющего слоя, т= 1, 2, 3, ...) При выполнении этих условий отражение излучения с длинной волны X = 4^/7с равно нулю. Внутреннее усиление характерно для таких фотоприемников, как фототранзистор, фототиристор.
Увеличение (7 может быть достигнуто, если совместно с фотоприемником на одном кристалле изготавливается усилитель. В простейшем случае — это один дополнительный транзистор к фототранзистору (схема Дарлингтона).
Необходимо учитывать, что обычно увеличение (7 ведет к снижению быстродействия и ухудшению температурной стабильности.
Более полное представление о коэффициенте передачи тока дает передаточная характеристика для одного из типов оптронов.
Основные характеристики оптронов представлены в табл. 7.1, где быстродействие оптронов характеризуется суммарным временем включения и выключения. Резисторные оптроны принято характеризовать не коэффициентом передачи, а отношением темнового сопротивления резистора ЯТ к сопротивлению при освещении Яос.
ОПТРОНЫ
Таблица 7.1. Основные характеристики оптронов
|