ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

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 в достаточно ши­роких пределах изменяться в зависимости от интенсивности излучения.

В основу классификации оптронов могут быть положены различные критерии.

Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению. Здесь различают оптроны трех типов:

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

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

- оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов. Иными критерием для классификации оптронов может служить тип применяемого фо­топриемника, выбором которого в основном определяются параметры оптронов. По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды (рис. 7.6, а), одиночные фототранзисторы (рис. 7.6, б), составные фототранзисторы (рис. 7.6, в), фототиристоры (рис. 7.6, г) и фоторезисторы (рис. 7.6, <)).

Бег Рис. 7.6. Условные обозначения оптопар

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

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

К =т]н*Пфпс. С71)

Где т] = --- ---------- квантовая эффективность излучателя, определяемая отношением числа

1Ю/Я

Излученных квантов Ыи к числу электронов, прошедших через /?—и-переход излучателя /вх/#; к — коэффициент, характеризующий передачу света от излучателя к фотоприемнику; г)ф„ — эффективность фотоприемника, определяемая как отношение числа носителей заряда, про­шедших в выходной цепи, к числу поглощенных квантов; С — коэффициент усиления.

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

Увеличение квантовой эффективности излучателя может быть достигнуто за счет повы­шения доли излучательных переходов в процесс рекомбинации, что связано с:

- совершенствованием структуры и повышением чистоты полупроводникового мате­риала;

- 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;

- использованием кристаллов специальной формы (например, полусферической) и по­крытий с коэффициентами преломления, близкими к коэффициенту преломления по­лупроводника, для снижения потерь, связанных с полным внутренним отражением на границе раздела полупроводника с окружающей средой.

Эффективность фотоприемника определяется его электрофизическими и структурно-то­пологическими параметрами. Выбор оптимального сочетания этих параметров при конст­руировании фотоприемника с учетом требований к его спектральной характеристики позво­ляет повысить эффективность т]фп. Высокая спектральная согласованность фотоприемника и

ИЗЛучатеЛЯ-------- ОДНО ИЗ ОСНОВНЫХ СреДСТВ ПОВЫШеНИЯ Т]ф„.

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

Пс должен быть равен («м — показатель преломления покрываемого материала),

X

А разность фаз падающей и отраженной волн п с! =—(2/я + 1) должна быть кратной я.

4

(Здесь к — длина волны; <1 — толщина просветляющего слоя, т= 1, 2, 3, ...) При вы­полнении этих условий отражение излучения с длинной волны X = 4^/7с равно нулю. Внутреннее усиление характерно для таких фотоприемников, как фототранзистор, фото­тиристор.

Увеличение (7 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 (7 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 табл. 7.1, где быстродействие оп­тронов характеризуется суммарным временем включения и выключения. Резисторные оп­троны принято характеризовать не коэффициентом передачи, а отношением темнового со­противления резистора ЯТ к сопротивлению при освещении Яос.

ОПТРОНЫ