Основные характеристики и параметры фототранзисторов

Вольтамперные характеристики аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, где параметром является не ток базы, а световой поток или фототок при I_б=const (рис. 7.15,в). Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода.

Основные параметры фототранзистора следующие.

1. Рабочее напряжение (10…15 В).

2. Темновой ток (до сотен мкА).

3. Рабочий ток (до десятков мА).

4. Максимально допустимая мощность рассеяния (до десятков мВт).

5. Статический коэффициент усиления по фототоку К_{у ф}=1+b. Измеряется как отношение фототока коллектора транзистора с плавающей базой к фототоку коллекторного перехода при отключенном эмиттере и постоянном световом потоке, составляет порядка (1…6)´10².

6. Интегральная чувствительность – отношение фототока к падающему световому потоку, составляет 0,2…2 А/лм и выше в (b+1) раз по сравнению с чувствительностью эквивалентного диода.

7. Граничная частота – частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим статическим значением (10⁴…10⁵ Гц). Большую граничную частоту имеют полевые фототранзисторы (10⁷…10⁸ Гц).

Недостатками фототранзисторов является меньшая граничная частота по сравнению с фотодиодами, что ограничивает их применение в волоконно-оптических системах, сравнительно высокий уровень собственных шумов и сильная зависимость темнового тока от температуры.

Фототиристоры

Фототиристор – это четырехслойная полупроводниковая структура, управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на управляющий электрод. Они применяются в качестве бесконтактных ключей для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Принцип действия фототиристора аналогичен обычному тиристору, при этом увеличение коэффициентов передачи эмиттерных переходов и достигается за счет освещения баз тиристора – n₁– и p₂–областей (рис. 7.17).

Оптический сигнал, попадая на базовые области, вызывает генерацию неравновесных носителей, которые диффундируют к обратно-смещенному коллекторному переходу П2 (рис. 7.17). Неосновные носители (дырки) n₁–области экстрагируют через коллекторный переход в p₂–область, а неосновные носители p₂–области (электроны) перебрасываются в n₁–область. За счет этого происходит перераспределение внешнего напряжения U_вн, приложенного к тиристору; напряжение на коллекторном переходе П2 несколько уменьшается, а напряжения на эмиттерных переходах П1 и П2 несколько увеличиваются, что повышает инжекцию носителей из эмиттеров в базы. Эмиттерные токи возрастают, что приводит к увеличению коэффициентов и . В связи с этим процесс включения фототиристора происходит так же, как и при подаче напряжения на управляющий электрод тиристора.

Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается фототиристор. Вольтамперная характеристика фототиристора представлена на рис. 7.18.

Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания импульса светового потока. Для выключения фототиристора необ-ходимо уменьшить напряжение или ток до значений, меньших напряжения или тока удержания. Сопротивление фото-тиристора во включенном состоянии единицы и доли Ом, а в выключенном – сотни кОм. Время переключения лежит в пределах 10^-5…10^-6 с.

Если у фототиристора имеется вывод от одной из базовых областей, то подавая на управляющий электрод напряжение, смещающее соответствующий эмиттерный переход в прямом направлении, можно понижать напряжение включения. Само включение фототиристора по-прежнему будет осуществляться действием светового потока. Достоинствами фототиристоров является: малое потребление мощности во включенном состоянии, малое время включения, отсутствие искрения, малые габариты.

Основными параметрами фототиристоров являются: напряжение включения U_вкл; ток включения I_вкл, соответствующий напряжению включения; напряжение выключения U_выкл и ток выключения I_выкл, при которых фототиристор переходит из открытого состояния в закрытое; темновой ток I_Т; пусковой поток Ф_пуск; минимальный управляющий (пороговый) световой поток; интегральная чувствительность; время выключения t_выкл; номинальный ток открытого фототиристора I_ном; максимально допустимое обратное анодное напряжение U_{обр макс}.

Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник оптического излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой, и предназначенный для выполнения различных функциональных преобразований электрических и оптических сигналов.

Источниками излучения могут быть лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели, светодиоды. В интегральных оптоэлектронных схемах источником оптического излучения является инжекционный светодиод, обеспечивающий высокое быстродействие оптопар. Фотоприемниками могут быть: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Сочетание в одном конструктивном элементе светодиода с одним из этих фотоприемников позволило создать ряд оптопар с различными характеристиками: резисторных, диодных, транзисторных, тиристорных (рис. 7.19). Связывающим звеном между источником излучения и фотоприемником служит пассивная или активная оптическая среда, выполняющая функции световода.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В источниках излучения энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал (ток или напряжение). Оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами.

Световод обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей (сопротивление изоляции может достигать 10¹²…10¹⁴ Ом, а емкость связи 10^-2 пФ) и однонаправленность сигналов, что характерно для оптических линий связи.

Резисторные оптопары наиболее универсальны. Они могут использоваться в аналоговых и ключевых устройствах, имеют широкий диапазон изменения сопротивления (десятки–сотни МОм в неосвещенном и сотни Ом в освещенном состояниях), низкий частотный диапазон.

Диодные оптопары используются в качестве ключа и могут коммутировать ток с частотой 10⁶…10⁷ Гц. Темновое сопротивление достигает 10⁸…10¹⁰ Ом, а при освещении снижается до сотен Ом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10¹³…10¹⁵ Ом.

Транзисторные оптопары имеют большую чувствительность, чем диодные. Быстродействие не превышает 10⁵ Гц.

Тиристорные оптопары применяются в ключевых режимах, для формирования и коммутации мощных импульсов.