Основные характеристики и параметры фотоприемников

Свойства всех фотоприемников описываются определенным набором характеристик и параметров.

Вольт - амперные характеристики – зависимости фототока I_ф при неизменном световом потоке (Ф = const) от приложенного напряжения. На рис.13 показаны ВАХ некоторых фотоприемников. ВАХ фоторезистора (рис.13а) практически линейна в рабочем диапазоне напряжений. У большинства фоторезисторов наблюдается отклонение от линейности при малых напряжениях,

которое обусловлено большим сопротивлением контактов между зернами поликристаллического или пленочного полупроводника, из которого изготовлены фоторезисторы. С увеличением напряжения сопротивление уменьшается из – за разогрева полупроводника и других причин.

Семейство ВАХ фотодиода расположено в квадрантах I, III, IV (рис. 13,б). Квадрант I – рабочая область для фотодиода, квадрант III соответствует фотодиодному режиму работы, в котором к p – n переходу приложено обратное напряжение. Из рис. 13,б видно, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок почти не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. ВАХ нагрузочного резистора (линия нагрузки) является прямой, уравнение которой (см. рис. 12,в)

(2.12)

Фотодиод и нагрузка R соединены последовательно, и через них протекает одинаковый ток I_ф. Его величину можно определить по точке пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки (квадрант III на рис. 13,б). Очевидно, что в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения Ф ток I_ф не зависит от Е_обр и R, т.е. фотодиод является источником тока I_ф по отношению к внешней цепи.

Квадрант IV семейства ВАХ фотодиода соответствует фотогальваническому (его называют также фотовольтатическим) режиму работы (рис. 13,в). Точки пересечения ВАХ с осью напряжения определяют значения фото ЭДС (напряжения холостого хода R = ¥ ) при различных потоках Ф. Точки пересечения ВАХ с осью токов определяют значение токов короткого замыкания (R = 0). В иных режимах токи определяются точками пересечения ВАХ и линий нагрузки, которые при разных значениях R выходят из начала координат под разными углами (квадрант IV, рис. 13,в). При заданном значении тока ВАХ фотодиода позволяет выбрать оптимальный режим работы его в фотогальваническом режиме. Оптимальному режиму соответствует выбор нагрузки R, при котором в него будет передаваться наибольшая мощность. На рис.13,в этому режиму соответствует точка А, а площадь заштрихованного прямоугольника определяет мощность, выделяющуюся в резисторе нагрузки R.

ВАХ фототранзистора и фототиристора показаны на рис. 13,г и д.

Световая (люкс – амперная, энергетическая) характеристика определяет зависимость фототока I_ф фотоприемника от величины светового потока Ф. Для фоторезисторов световая характеристика, почти линейная при малых значениях Ф, уменьшает свой наклон с ростом Ф. Причиной снижения приращений фототока при больших потоках Ф является снижение подвижности носителей заряда, т.к. с ростом освещенности возрастает концентрация ионизированных атомов в полупроводнике, а также изменение функций примесных уровней в запрещенной зоне, которые при малых избыточных концентрациях носителей служат ловушками захвата, а при больших концентрациях – рекомбинационными ловушками.

Световая характеристика светодиода линейна в фотодиодном режиме, т.к. величина фототока пропорциональна световому потоку Ф и зависит только от него. В фотогальваническом режиме световые характеристики представляют зависимостями либо тока короткого замыкания от Ф, I_к(Ф), либо фото ЭДС от Ф, E_ф(Ф) = U_х(Ф). При больших потоках Ф эти зависимости существенно отклоняются от линейных. I_к(Ф) становится нелинейной из – за падения напряжения на сопротивлении базы фотодиода r_Б, а U_х(Ф) – из – за уменьшения высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда в n- и p- областях, что ухудшает разделительные свойства p – n перехода.

Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны падающего излучения. Обычно спектральная характеристика имеет форму кривой с максимумом. При больших длинах волн l излучения энергия квантов света мала по сравнению с шириной запрещенной зоны и фотоэффект не наблюдается. Поэтому для каждого полупроводника существует пороговая длина волны, которую определяют как длину волны, при которой фототок уменьшается в 2 раза относительно максимального со стороны больших длин волн. При малых длинах волн с уменьшением l падающего излучения растет показатель поглощения. Глубина проникновения фотонов уменьшается, возрастает роль поверхностной рекомбинации и уменьшается время жизни неравновесных носителей. Это и приводит к снижению фототока. Поэтому фотоприемники имеют максимальную чувствительность в определенном оптическом диапазоне, зависящем от ширины запрещенной зоны полупроводника.

Интегральная чувствительность фотоприемника – отношение фототока I_ф к световому потоку Ф:

Поскольку в фототранзисторах существует усиление фототока, то и чувствительность фототранзисторов К_0Т в раз выше, чем у диодов К_0д:

Постоянная времени или быстродействие фотоприемника – определяется как время, в течение которого фототок изменяется после освещения или затемнения приемника на 63% (в е раз) по отношению к установившемуся значению. Этот параметр определяется процессами разделения носителей, т.е. скоростью диффузии носителей и полем p – n перехода, а так же его емкостью. Скорость нарастания фототока при освещении приемника и скорость спада I_ф после затемнения определяются различными физическими процессами и поэтому неодинаковы и характеризуются разными постоянными времени: нарастания t_н и спада t_сп.

Оптопары

Оптопара – это оптоэлектронный прибор, содержащий излучатели и фотоприемники, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В основе работы оптопары заложено двойное преобразование энергии. Излучатель преобразует входной электрический сигнал в оптическое излучение, а фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический ток или напряжение. Поэтому связь оптопары с внешней входной и выходной цепью электрическая, а внутри связь входа с выходом осуществляется оптическими сигналами. В электрических схемах оптопары выполняют функцию электрической изоляции между входными и выходными цепями (гальваническая развязка). Однако роль оптопары не только в этом. Оптическое управление позволяет получить ряд специфических преимуществ для электронных устройств. К ним относятся: однонаправленность потока информации, отсутствие обратной связи с выхода на вход, широкая полоса пропускания.

Важные достоинства оптопар:

- возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами, разнообразие и гибкость конструкторских решений задач управления;

- невосприимчивость оптических каналов связи к электромагнитным помехам, обеспечивающая высокую помехозащищенность при использовании оптопар с протяженным оптическим каналом, полное исключение взаимных наводок;

- возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному, сколь угодно сложному, закону;

- расширение возможностей управления выходным сигналом оптопары воздействием (включая и неэлектрическое) на оптический канал и, как следствие, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.

Недостатки оптопар:

- низкий КПД, обусловленный двойным преобразованием энергии сигнала, значительная потребляемая мощность;

- сильная температурная зависимость параметров;

- высокий уровень собственных шумов;

- конструктивно – технологическое несовершенство, связанное с применением гибридной технологии.

По мере совершенствования материалов, технологии и схемотехники эти недостатки постепенно устраняются.

Структуру оптопары поясняет рис.14, на котором обозначены: И – излучатель; ОК – оптический канал; ФП – фотоприемник.

Излучатель оптопары. Наиболее распространенным излучателем современных оптопар является инжекционный СИД. В перспективе для создания мощных и сверхбыстродействующих оптопар (t_пер» 10^-9…10^-10 с) с протяженным оптическим каналом целесообразно и экономически оправдано будет применение полупроводниковых лазеров.

Отличие излучателя оптопары от обычного СИД в конструкции оптического окна. У СИД кольцевая излучающая область размещается вокруг расположенной в центре контактной площадки, поэтому видимая область излучения как бы увеличивается на площадь контактной площадки. В оптопарах излучающая область должна быть минимальной и размер ее ограничивается только допустимой плотностью тока через излучатель. Контактная площадка смещается из центра излучающей области, что обеспечивает минимальное затенение и уменьшает потери излучения при передаче его к фотоприемнику. Малый размер излучающей области обеспечивает также стабильность условий оптической связи.

Оптический канал. Качество оптопары сильно зависит от эффективности передачи энергии от излучателя к приемнику, т.е. от свойств оптического канала. Требования к каналу:

1) обеспечить заданный уровень электрической изоляции между входом и выходом оптопары;

2) спектральная согласованность материала оптического канала с излучателем и фотоприемником, обеспечивающая высокую прозрачность для излучения в рабочем диапазоне длин волн;

3) минимальные потери на отражение на границах И – ОК и ОК – ФП.

В оптопарах используют следующие виды оптических каналов:

- связь через воздух: характеризуется простотой и высокой электрической изоляцией;

- связь через воздух с применением оптической фокусировки с помощью линз: обеспечивает лучшую передачу излучения, чем предыдущая;

- связь с использованием иммерсионной среды (согласующей показатели преломления материалов излучателя, оптического канала и фотоприемника): обеспечивает наилучшие параметры оптического канала;

- связь посредством световода (жесткого моноволокна): удобна при создании оптоизоляторов с допустимым напряжением более 20…50 кВ.

При выборе оптического канала требования к изоляции- решающие при малых расстояниях между излучателем и приемником. При больших расстояниях (например, канал со световодом) более важными становятся требования к спектру пропускания оптического канала.

Фотоприемник. Фотоприемниками современных оптопар преимущественно являются фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Их спектральная характеристика охватывает весь видимый диапазон спектра и часть ближней ИК – области.

Кремниевые фотодиоды – хорошие фотоприемники, но для получения на выходе сигнала нужной амплитуды требуется дополнить фотодиод усилителем. Внешние усилители увеличивают габариты схемы, поэтому целесообразно разместить усилитель в корпусе оптопары. Это можно сделать либо по гибридной технологии, допускающей раздельное согласование фотодиода и усилителя и обеспечивающей хорошие оптические и электрические параметры оптопары, либо по интегральной технологии, снижающей как стоимость оптопары так и ее параметры.

Есть два способа совмещения фотоприемника и усилителя:

1) использование фототранзистора, приемником излучения у которого является коллекторный переход;

2) использование фотодиода, фототок которого усиливается транзистором, размещенным на том же кристалле.

Широко применяются в оптопарах также составные фототранзисторы и фототиристоры.