Устройство и основные физические процессы.

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Слайд 12

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика (рис. 6.6).

Слайд 13

Часто используют следующие параметры фоторезисторов:

· номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм);

· интегральную чувствительность (чувствительность, определяемая при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).

Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением:

где i_ф – так называемый фототок (разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);

Ф – световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S=0,7 А/лм.

Слайд 14

Фотодиод

Устройство и основные физические процессы.

Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.

                Рисунок 6.7 - Структура (а) и обозначение (б) фотодиода

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения u_ак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем u_ак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).

Слайд 15

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

льт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

 На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.

Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте.

Слайд 16

В режиме фотопреобразователя  фотодиод потребляет энергию  (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷–10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

Слайд 17(1)

Фототранзисторы

Фототранзистор относится к полупроводниковым фотоэлектрическим приборам с внутренним усилением фототока. Структура фототранзистора эквивалентна структуре обычного биполярного p-n-p транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером. В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода – эмиттер и коллектор.

На рисунке 6.11  показана схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.

а) схема фототранзистора со структуройp-n-p; б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы

Управление током фототранзистора осуществляется путем освещения базовой области. Рассмотрим для примера p-n-p фототранзистор. При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина Lp. Поэтому плотность первичного фототока будет равна:

Слайд 17(2)

Вследствие того, что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока α в базе рекомбинируют (1-α) инжектированных носителей или в β раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в β раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I_К будет состоять из трех компонент: первичного фототокаI_ф, инжекционногоβI_ф и тепловогоI_К0 тока.

Используя выражение для коэффициента усиления β базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:

Величина первичного фототока IФ выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом

Слайд 18

На рисунке 6.12 приведена вольт-ампернаяхарактеристика фототранзистора при различных уровнях освещенности.

Для фототранзисторов, благодаря большому коэффициенту внутреннего усиления, характерна высокая интегральная чувствительность (отношение фототока к падающему световому потоку), спектральная чувствительность определяется свойствами полупроводникового материала.

Слайд 19

Фототиристоры

Фототиристором называют тиристор, напряжение включения которого уменьшается с увеличением освещенности.

Отличительной особенностью структуры и конструкции фототиристора является возможность освещения одной из базовых областей (рисунок 6.13).

Переключение фототиристора из закрытого в открытое состояние происходит, как у обычного тиристора, при увеличении суммарного коэффициента передачи по току тиристорной структуры до единицы. В фототиристоре увеличение этого параметра может происходить в результате увеличения тока через тиристорную структуру при поглощении квантов света в базовых областях, т.е. из-за генерации носителей заряда в базовых областях при их освещении. С этой целью в корпусе прибора предусматривается специальное окно.

Фототиристоры нашли широкое применение в высоковольтных установках преобразования электрической энергии, поскольку они позволяют надежно решать задачу развязки по напряжению выходной цепи прибора и системы управления.

Слайд 20(1)

Оптрон (оптопара)

Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или  одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷…10⁸ раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что обусловливает широкую применимость резистивных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01…1 с.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс.

Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод (рис. 6.14,а). Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис. 6.14,б.

Рисунок 6.11 - Схема оптопары (а) и направление токов и напряжений в ней (б)

          Слайд 20(2)