фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон.
Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего
параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам,
наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом и
формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные,
надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически
“фотоприемното” не содержат.
В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток)
говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S,
измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность)
фотоприемника определяется значением показателя степени n в
уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: Uвых( или Iвых)~Pф.
При n[pic]1 фотоприемник линеен; область значений Pф(от Pф max до Pф
min), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон
линейности фотоприемника [pic], выражаемый обычно в децибелах: [pic]=10
lg(Pф max /Pф min).
Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его
чувствительности, является удельная обнаружительная способность D,
измеряемая в Вт-1[pic]м[pic]Гц1/2. При известном значении D порог
чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения)
определяется как
Pф min=[pic]/D (2.9)
где А - площадь фоточувствительной площадки; [pic]- диапазон рабочих
частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль
коэффициента качества фотоприемника.
В применении к оптронам не все перечисленные характеристики
оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в
оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых,
поэтому использование параметров Pф min и D оказывается практически
бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в
иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание
оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило,
специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение
чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес
представляют интегральные эффекты.
[pic]
Рис. 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в
фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода.
Механизм работы фотоприемников, базирующихся на
фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-
эпитаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой,
в которых можно выделить n+- подложку, базу n- или i-типа (слабая
проводимость n-типа) и тонкий р+-слой. При работе в фотодиодном
режиме (рис. 2.4,а) приложенное извне напряжение заставляет
подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода; при
этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной
для двух рассматриваемых структур.
Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода,
генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-
переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного
тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это разделение происходит
в поле i-o6лaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф
носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая
генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р - n-
переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного
заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше
фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом
направлении (рис. 2.4,а), однако уже при небольших напряжениях он
оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение
оказывается затруднительным.
Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода
является III квадрант на рис. 2.4,а; соответственно этому в
качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность
[pic] (2.10)
Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной
зависимости Iф=f(Pф), а третье - при условии пренебрежения темновым током
([pic]), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.
Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения,
то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет
протекать благодаря действию собственного встроенного поля р - n-
перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично
компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое
новое равновесное (для данного значения: Pф) состояние, при
котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС Uф. Если
замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет
отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ.
Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода,
работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода
Uxx и ток короткого замыкания Iкз (рис. 2.4,б).
Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как
своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим
параметром является КПД преобразования световой энергии в
электрическую:
КПД=Pэ/APф=aUxxIкз/ Apф (2.11)
В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических
приборов - солнечные батареи.
3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ
ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ
При классификации изделий оптронной техники учитывается два
момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности
прибора в целом .
Выбор первого классификационного признака обусловлен тем, что
практически у всех оптронов на входе помещен светодиод и
функциональные возможности прибора определяются выходными
характеристиками фотоприемного устройства.
В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое
определяет специфику применения оптрона.
Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принцип
классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной
техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оптронные)
интегральные микросхемы и специальные виды оптронов. К каждой из
этих групп относится большое число видов приборов.
Для наиболее распространенных оптопар используются следующие
сокращения:
Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т2 - с
составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная
(транзисторная) дифференциальная.
Система параметров изделий оптронной техники базируется на
системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп
параметров и режимов.
[pic]
Рис 3.1. К определению импульсных параметров оптопар.
Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные
параметры), вторая - ее выходную цепь (выходные параметры), третья -
объединяет параметры, характеризующие степень воздействия
излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности
прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры
передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет
параметры гальванической развязки, значения которых показывают,
насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Из
четырех перечисленных групп определяющими, специфически
“оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры
гальванической развязки.
Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является
коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов
ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями при измерении параметров tнар(сп),
tзд, и tвкл(выкл) обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное время логической
задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.
[pic]
Рис. 3.2. Условные обозначения оптопар.
Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются:
максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом
Uразв п max; максимально допустимое напряжение между входом и
выходом Uразв max; сопротивление гальванической развязки Rразв;
проходная емкость Cразв; максимально допустимая скорость изменения
напряжения между входом в выходом (dUразв/dt)max. Важнейшим является
параметр Uразв п max. Именно он определяет электрическую прочность
оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.
Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями
используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.
3.2. ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ
Диодные оптопары (рис. 3.2,а) в большой степени, чем какие-либо: другие
приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине Кi 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.
3.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ
Транзисторные оптопары (рис. 3.2, 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 Кi, так что последующие
