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 достаточно в широких пределах изменяться в зависимости от интенсивности излучения.

В основу классификации оптронов могут быть положены различные критерии.

Оптроны можно классифицировать по их основному функционально­му назначению. Здесь различают три типа оптронов:

· оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначенные для усиления и преобразования излучения;

· оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных сопротивлений;

· оптроны с электрической связью, используются в качестве ключе­вых элементов.

Другим критерием для классификации оптронов может служить тип используемого фотоприемника выбором, которого в основном определяются параметры оптронов. По типу используемого фотоприем­ника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды (рис. 6.6, а), одиночные фототранзисторы (рис. 6.6, б), составные фототранзисторы (рис. 6.6, в), фототиристоры (рис. 6.6, г) и фоторезисторы (рис. 6.6, д).

Рис. 6.6. Условные обозначения оптопар

К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока, сопротивление развязки и быстродействие.

Коэффициент передачи тока K_i определяется как отношение тока на выходе оптрона к току на входе

, (6.1)

где – квантовая эффективность излучателя, определяемая отношением числа излученных квантов N_и к числу электронов, прошедших через p-n – переход излучателя ;

К_П – коэффициент, характеризующий передачу света от излучателя к фотоприемнику;

– эффективность фотоприемника, определяемая как отношение числа носителей заряда, прошедших в выходной цепи, к числу поглощенных квантов.

G – коэффициент усиления,

N – число излученных квантов.

Увеличение коэффициента передачи является одной из основных задач, которые стоят при конструировании оптронов, поэтому целе­сообразно проследить возможность повышения каждой из его составляю­щих.

Увеличение квантовой эффективности излучателя может быть дос­тигнуто повышением доли излучательных переходов в процесс реком­бинации, что связано:

· с совершенствованием структуры и повышением чистоты полупро­водникового материала;

· с 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;

· с использованием кристаллов специальной формы (например, полу-сферической) и покрытий с коэффициентами преломления, близкими к коэффициенту преломления полупроводника, для снижения потерь, связанных с полным внутренним отражением на границе раздела полу­проводник-окружающая среда.

Эффективность фотоприемника определяется его электрофизическими и структурно-топологическими параметрами. Выбор оптимального соче­тания этих параметров при конструировании фотоприемника с учетом требований на его спектральную характеристику позволяет повысить эффективность h_фп. Высокая спектральная согласованность фото­приемника и излучателя - одно из основных средств повышения h_фп.

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 n_c должен быть равен (n_м - показатель преломления покрываемого материала), а разность фаз падающей и отраженной волн должна быть кратной p. (Здесь l - длина волны, d - толщина просветляющего слоя, m = 1, 2, 3...). При выполнении этих условий отражение излучения с длиной волны равно нулю. Внутреннее усиление характерно для таких фотоприемников, как фототранзистор, фототиристор.

Увеличение G 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 G 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 таблице 6.1, где быстродействие оптронов характеризуется суммарным временем включе­ния и выключения. Резисторные оптроны принято характеризовать не коэффициентом передачи, а отношением темнового сопротивления резис­тора R_т к сопротивлению при освещении R_ос.

Таблица 6.1 – Основные характеристики оптронов

* для p-i-n-диода в качестве фотоприемника.