Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения информации. Элементной базой оптоэлектроники являются оптоэлектронные приборы – оптроны.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между собой оптически (посредством светового луча) светоизлучателя и фотоприемника и служащее для управления и передачи информации.

Оптрон представляет собой единую конструкцию, состоящую из источника и приемника излучения, связанных между собой оптическим каналом. Структурная схема оптрона приведена на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Структурная схема оптрона

Входной сигнал, например электрический ток I_вх, преобразуется в светоизлучателе СИ в световой поток Ф , энергия которого пропор­циональна входному сигналу. По оптическому каналу ОК световой поток направляется в фотоприемник ФП, где преобразуется в пропорциональное световому потоку значение выходного электрического тока I_вых. С помощью устройства управления оптическим каналом УОК можно управлять световым потоком путем изменения физических свойств самого оптического канала.

Таким образом, в оптронах осуществляется двойное преобразование энергии: электрической в световую и световой снова в электрическую. Это придает оптронам ряд совершенно новых свойств и позволяет на их основе создавать электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками. Так, применение оптронов позволяет осуществить почти идеальную электрическую развязку между элементами устройства (сопротивление до 10¹⁶ Ом, проходная емкость до 10^-4 пФ). Кроме того, могут быть эффективно использованы такие свойства оптронов, как однонаправленность информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускание (от нуля до сотен и даже тысяч мегагерц), совместимость с другими (полупроводниковыми) приборами. Это дает возможность использовать оптроны для модулирования сигналов, измерений в высоковольтных цепях, согласования низкочастотных цепей с высокочастотными и низкоомных с высокоомными.

К недостаткам оптронов следует отнести зависимость их параметров от температуры, низкие КПД и коэффициент передачи.

Рис. 8.9. Устройство оптрона: 1 – выводы; 2 – фотоприемник; 3 – корпус; 4 – оптическая среда; 5 – светодиод

Устройство оптрона показано на рис. 8.9. В качестве излучателей в оптронах используют обычно светодиоды на основе арсенида-фосфида галлия GaAsP или алюминий-арсенида галлия GaAlAs, характеризующиеся большой яркостью, высоким быстродействием и длительным сроком службы. Кроме того, они хорошо согласуются по спектральным характеристикам с фотоприемниками на основе кремния. В качестве фотоприемников могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фотодиоды и фототранзисторы как приемники излучения получили в оптронах наибольшее распространение, поскольку по своим характе­ристикам и параметрам они могут работать совместно с интегральными микросхемами. Фототиристоры широко применяются в оптронах в качестве ключевых усилителей мощности, управляемых световым излучением. Передача светового излучения в оптронах осуществляется через оптический канал, роль которого могут играть различные среды. Назначение оптического канала – передача максимальной световой энергии от излучателя к приемнику. Передающей средой могут быть воздух, различные иммерсионные среды, а также оптические световоды длиной 1 м и более. Световолоконные оптические линии связи позволяют довести пробивное напряжение изоляции между входом и выходом оптрона до 150 кВ, что дает возможность применять оптроны для измерений в высоковольтных цепях.

Входными параметрами оптронов являются: номинальный вход­ной ток светодиода в прямом направлении I_вх.ном и падение напря­жения на нем в прямом направлении U_вх при номинальном значении входного тока; входная емкость С_вх в заданном режиме; максимально допустимый входной ток I_{вх.макс}; максимально допустимое обратное напряжение на входе U_{вх.обр.макс}.

Выходными параметрами оптронов являются: максимально допус­тимое обратное напряжение U_{вх.обр.макс}, прикладываемое к выходу; максимально допустимый выходной ток I_{вых.макс}; выходная емкость С_вых; световое R_св и темновое R_твыходные сопротивления (для фоторезисторных оптронов).

Из передаточных параметров исходными являются коэффициент передачи тока К_I =(I_вых / I_вх)100 либо дифференциальный коэффициент передачи тока К_{I д} = (dI_вых / dI_вх)100, выраженные в процентах.

Быстродействие оптрона оценивают при подаче на его вход прямоугольного импульса по времени задержки t_зд от момента подачи импульса до момента достижения выходным током значения 0,1 I_{вых.обр.макс}, а также по времени нарастания t_нар выходного тока от 0,1 до 0,9 его максимального значения. Суммарное время задержки и нарастания называют временем включения t_вкл. Быстродействие фотоприемника характеризуется его частотными свойствами, т.е. такой частотой синусоидально модулированно­го светового потока, при которой чувствительность фотоприемника вследствие инерционности уменьшается в раз.

Приведем краткое описание некоторых типов наиболее распространенных промышленных оптронов.

Фотодиодный оптрон.Условное графическое обозначение его приведено на рис. 8.10,а. В качестве излучателя используется светодиод на основе арсенида галлия.

В качестве фотоприемников в диодных оптронах используются кремниевые фотодиоды, которые хорошо согласуются по спектральным характеристикам и быстродействию с арсенид-галлиевыми светодиодами.

Коэффициент передачи тока диодного оптрона мал (K_I = 1,0 1,5%), однако диодные оптроны являются самыми быстродействующими.

Как элемент электрической цепи, фотоприемник диодного оптрона может работать в двух режимах: фотопреобразователя с внешним источни­ком питания и фотогенератора без внешнего источника питания.

Если учесть зависимость светового потока светодиода оптрона от тока I_вх через светодиод, то можно найти зависимость тока I_н нагрузочного резистора R_н или напряжения U_н на нем от входного тока оптрона, т.е. I_н = f(I_вх) или U_н = φ (I_вх).

Надо учитывать, что для передачи максимальной энергии требуется согласование нагрузочного резистора с выходным сопротивлением оптрона.

Фототранзисторный оптрон(рис. 8.10,б). По сравнению с фотодиодным оптроном в качестве фотоприемника в нем используется кремниевый фототранзистор. Являясь усилителем базового тока, фототранзистор имеет существенно более высокую чувствительность, чем фотодиод, поэтому коэффициент передачи тока фототранзисторного оптрона K_I = 50 100 %, а оптрона с составным фототранзистором – до 800% и более.

Рис. 8.10. Условные графические обозначения оптронов: фотодиодного (а), фототранзисторного (б), фоторезисторного (в), фототиристорного (г)

Недостатком фототранзисторов является то, что они по сравнению с фотодиодами гораздо более инерционны и имеют быстродействие 10^-4–10^-5с.

Фоторезисторный оптрон(рис. 8.10,в). В качестве фотоприемника в оптронах иногда используют фоторезисторы на основе селенида или сульфида кадмия (CdSe,CdS), а в качестве излучателя – спектрально согласующиеся с ними светодиоды на основе фосфида или арсенида-фосфида галлия (GaP, GaAsP). Быстродействие фоторезисторных оптронов целиком определяется быстродействием фотоприемника, которое составляет 100–200 мкс.

Фототиристорный оптрон(рис. 8.10,г) включает в себя фототиристор в качестве фотоприемника. Быстродействие фототиристорного оптрона определяется временем выключения фототиристора, в течение которого прибор переходит из открытого состояния в закрытое, оно составляет десятки микросекунд.

В зависимости от типа фотоприемника оптроны могут применяться в электронных устройствах для переключения, преобразования, согласования, модуляции и т.д. Они могут использоваться также в качестве малогабаритных импульсных трансформаторов, реле для коммутации напряжений и токов, в автогенераторах, цепях обратной связи и т.д.

Оптроны с открытым оптическим каналом служат в качестве раз­личных датчиков (перемещения, «края объекта» и др.). В устройствах передачи информации часто применяют оптоэлектронные интегральные микросхемы, в которых в одном корпусе объединены оптроны и интегральная микросхема. Фотоприемник такой микросхемы может быть изготовлен в том же кристалле кремния, что и транзисторная микросхема, как одно целое.

Оптоэлектронные устройства с управляемым световодом можно использовать в качестве логических ячеек преобразователей частоты, в устройствах переключения индикаторов, индикаторах вида жидкости, устройствах измерения малых перемещений, сенсорных устройствах очувствления роботов и т.д. Эти устройства обладают высоким быстродействием, помехозащищенностью, возможностью применения в агрессивных и взрывоопасных средах.

В последнее время при изготовлении оптоэлектронных устройств оказывается возможным удалять источник и приемник излучения из зоны измерения (от объекта контроля) на десятки метров с помощью элементов волоконной оптики – волоконных световодов (жгутов из нитей стекловолокна).

Оптоэлектронные устройства широко применяют в вычислительной технике, автоматике, контрольно-измерительных устройствах. В дальнейшем применение этих устройств будет расширяться по мере улучшения их характеристик: надежности, долговечности и температурной стабильности.

Тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-n-переходами (рис. 8.11,a).

Крайние области р₁ и п₂ называются анодом и катодом соответственно, с одной из средних областей р₂ или п₁ соединен управляющий электрод. П₁, П₂, П₃ – переходы между р- и п-областями. Источник Е внешнего питающего напряжения подключен к аноду положительным относительно катода полюсом. Если ток I_y через управляющий электрод триодного тиристора равен нулю, его работа не отличается от работы диодного. В отдельных случаях бывает удобно представить тиристор двухтранзисторной схемой замещения с использованием транзисторов с различным типом электропроводности – р-п-р и п-р-п (см. рис. 8.12, б). Как видно из рис. 8.12, переход П₂ является общим коллекторным переходом обоих транзисторов в схеме замещения, а переходы П₁ и П₃ – эмиттерными переходами.

Рассмотрим работу тиристора при I_y = 0. При подключении источника Е эмиттерные переходы П₁ и П₃ смещаются в прямом направлении, а коллекторный – П₂ – в обратном. Поскольку сопротивления открытых р-п-переходов незначительны, все напряжение источника практически приложено к закрытому переходу П₂. Ток тиристора в этом режиме весьма мал и напряжение на нагрузочном резисторе R практически равно нулю.

а б

Рис. 8.11. Структура тиристора (а) и двухтранзисторная схема замещения (б) триодного тиристора: 1, 2, 3 – выводы катода, управляющего электрода и анода соответственно

Рис. 8.12. Вольт-амперные характеристики и условное графическое обозначение

триодного тиристора

При повышении прямого напряжения U_пр (что достигается увеличением ЭДС источника питания Е)ток тиристора увеличивается незначительно до тех пор, пока напряжение U_пр не приблизится к некоторому критическому значению напряжения пробоя, равному напряжению включения U_вкл (рис. 8.12).

При дальнейшем повышении напряжения U_пр под влиянием нарастающего электрического поля в переходе П₂ происходит резкое увеличение количества носителей заряда, образовавшихся в результате ударной ионизации при столкновении носителей заряда с атомами. В результате ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя п₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и п₁ и насыщают их неосновными носителями заряда. Увеличение количества носителей заряда за счет действия внутренней положительной обратной связи носит лавинообразный характер, в результате чего электрическая проводимость р-n-перехода П₂ резко возрастает.

После включения тиристора напряжение на нем снижается до значения порядка 0,5–1 В. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ (рис. 8.12). Минимальный прямой ток, при котором тиристор остается во включенном состоянии, называется током удержания I_уд. При уменьшении прямого тока до значения I_пр< I_уд (нисходящая ветвь ВАХ на рис. 8.13) высокое сопротивление перехода восстанавливается и происходит выключение тиристора. Время восстановления сопротивления р-n-перехода обычно составляет 10–100 мкс.

Напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено дополнительным введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П₂. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в р-n-переходе П₂,в связи с чем напряжение включения U_вкл уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис. 8.12, вводятся в слой р₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается напряжение включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис. 8.12. Там же приведено условное графическое обозначение триодного тиристора.

Будучи переведенным в открытое (включенное) состояние, тиристор не выключается даже при уменьшении управляющего тока I_у до нуля. Выключить тиристор можно либо снижением внешнего напряжения до некоторого минимального значения, при котором ток становится меньше тока удержания, либо подачей в цепь управляющего электрода отрицательного импульса тока, значение которого, впрочем, соизмеримо со значением коммутируемого прямого тока I_пр.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления I_у.вкл – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Значение этого тока достигает нескольких сотен миллиампер.

Из рис. 8.12 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нем возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П₁ и П₃. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя перехода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр макс}.

В симметричных диодных и триодных тиристорах прямая и обратная ветви ВАХ совпадают по форме. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя р-n-переходами.

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 3000 А и напряжения включения до 6000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Основные недостатки тиристоров – неполная управляемость (тиристор не выключается после снятия сигнала управления) и относительно низкое быстродействие (десятки микросекунд).

Наряду с тиристорами в качестве переключающих элементов используются биполярные и полевые транзисторы, которые являются полностью управляемыми элементами.

Биполярный транзистор способен выдерживать большие токи при малом сопротивлении в режиме насыщения. К недостаткам его следует отнести невысокие значения допустимых обратных напряжений (менее 1000 В) и большие значения тока управления транзистора при насыщении.

Полевые МДП-транзисторы используют для переключения токов до 100 А при напряжении до 500 В. МДП-транзисторы управляются напряжением, подаваемым на изолированный затвор, причем для не очень высоких частот переключения мощность управляющей цепи чрезвычайно мала из-за высокого входного сопротивления транзистора. МДП-транзистор является одним из самых быстродействующих приборов, время переключения его составляет единицы наносекунд.

Сравнительно недавно был создан новый и весьма перспективный управляемый переключающий прибор, получивший название биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – insulated gate bipolar transistor). Этот прибор сочетает в себе достоинства биполярных и полевых МДП-транзисторов и способен коммутировать значительные токи при высоком быстродействии, малой мощности управляющей цепи и высо­ких значениях обратных напряжений. Полупроводниковая структура прибора похожа на тиристорную (см. рис. 8.12), но со свойствами управляемого усилителя. Ток управления задается МДП-транзистором, который в свою очередь управляется напряжением. Вся полупроводниковая часть прибора выполнена в одном кристалле полупроводника. Прибор позволяет коммутировать токи до 400 А при напряжениях до 1600 В, а его быстродействие составляет десятые доли микросекунды.