4724

Физические основы электроники: активные электронные компоненты и компоненты оптоэлектроники

Книга

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В учебном пособии рассматриваются общие вопросы, связанные с физическим принципом действия активных компонентов электронной техники, а именно: биполярные и полевые транзисторы, а также элементы оптоэлектронной техники. Введение За последние сорок ле...

Русский

2012-11-25

1.75 MB

70 чел.

В учебном пособии рассматриваются общие вопросы, связанные с физическим принципом действия активных компонентов электронной техники, а именно: биполярные и полевые транзисторы, а также элементы оптоэлектронной техники.


Введение

За последние сорок лет в создании новых электронных приборов и систем различного назначения наблюдалось стремительное развитие, которое привело к значительным изменениям во многих отраслях науки и техники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные устройства или автоматика и вычислительная техника. Это и радиоэлектронные системы, предназначенные для решения сложных комплексных задач, и изделия, имеющие особые эксплуатационные назначения и выполняющие отдельные функции, и изделия вычислительной техники, встроенные в приборы и системы или подключаемые к ним.

В развитии радиоэлектронных приборов и систем на протяжении многих лет остается стабильным только одно – непрерывное совершенствование эксплуатационных показателей и показателей функционального назначения.

Разработка и эффективное применение электронной аппаратуры невозможны без знания физических принципов действия основных радиоэлектронных компонентов, их номенклатуры и особенностей. Поэтому изучению дисциплины "Физические основы электронной техники" обычно уделяется повышенное внимание.

Дисциплина "Физические основы электронной техники" призвана сформировать у студентов понимание физического принципа действия радиоэлектронных компонентов, их параметров, основных характеристик и взаимодействия друг с другом в электронных схемах.


1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами, тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными. 

Физические процессы в транзисторах. Упрощенная структура плоскостного p-n-p-транзистора показана на рис. 1.1, а, условные обозначения p-n-p- и
n-p-n-транзисторов – на рис. 1.1, б. 

 а)         б)

Рис. 1.1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения
с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б)

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому – обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой – эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой – коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структуры транзисторов: а – сплавного; б – эпитаксиально-диффузионного;
в – планарного; г – мезатранзистора; 1 – база; 2 – эмиттер;
3 – коллектор (эпитаксиальная пленка); 4 – подложка

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие "диффузионный транзистор" отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения p-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу – относительно высокоомной (десятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны
нулю.

При подключении к электродам транзистора напряжений  и  
(рис. 1.3) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном.

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p-n-переход в область базы (инжекция дырок), а
электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока
p-n-перехода используют коэффициент инжекции

,

где  и – дырочная и электронная составляющие тока p-n-перехода;
– полный ток
p-n-перехода.

Рис. 1.3. Схема движения носителей заряда в транзисторе

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который в течение времени (3 ÷ 5)  компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично заряд электродов в эмиттере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и внутреннего электрического поля (в дрейфовых), инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и, тем самым, обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой (W > 3L), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p-n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p-n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины,
т. е.
W << 0,2 L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы. Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p-n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллекторного p-n-перехода. Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса

,

где ,  – концентрация дырок, прошедших через коллекторный и эмиттерный переходы; ,  – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через закрытый коллекторный p-n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации , они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода, и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть  тока эмиттера составляют дырки, и только часть их  доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный переход, равен

; ,

где  – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через p-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток . Причины его возникновения те же, что и в единичном p-n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи

                                                      .                                         (1.1)

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному p-n-переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера.

Математическая модель транзистора. Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математической модели, показана
на рис. 1.4. Каждый
p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного тока (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором
тока  (<1). Индекс
N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току  соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где  – коэффициент передачи коллекторного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие – инжектируемую (или ) и собираемую ( или ):

                                               , .                          (1.2)

Эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора аналогичны
p-n-переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная характеристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n-переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n-перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p-n-переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. В результате получим

                      ; ,                 (1.3)

где  – тепловой ток эмиттерного p-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора;  – тепловой ток коллекторного
p-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.

Связь между тепловыми токами p-n-перехода , , включенных раздельно, и тепловыми токами ,  получим из (1.2) и (1.3). Пусть . Тогда . При ||<< . Подставив эти выражения в (1.1), для тока коллектора получим .

Рис. 1.4. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Соответственно для  имеем . Токи коллектора и эмиттера с учетом (1.3) примут вид

            (1.4)

На основании закона Кирхгофа ток базы

        (1.5)

При использовании (1.2) – (1.5) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство

                                   .                                   (1.6)

Решив уравнения (1.4) относительно , получим

                    (1.7)

Это уравнение описывает выходные характеристики транзистора.

Уравнения (1.4), решенные относительно , дают выражение, характеризующее идеализированные входные характеристики транзистора:

  .            (1.8)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации – рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому , , , , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов , , определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что  и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении
p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо  следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального пере-хода (m = 2 ÷ 4). С учетом этого, уравнения (1.4) и (1.6) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:

            ;                   (1.9)

    ;                (1.10)

           ,                                       (1.11)

где .

Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения.

В активном режиме один из переходов биполярного транзистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой – в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в (1.4), (1.9) напряже-
ние  имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение  в (1.10) имеет знак «–».

При инверсном включении в уравнения (1.4), (1.9) следует подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.

Для активного режима, когда |<<| и , (1.7) запишем в виде , что полностью совпадает с (1.1).

Учитывая, что обычно ÷ и , уравнение (1.8) можно упростить:

                        .               (1.12)

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер – база при определенном значении тока  не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения  меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением || ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток  увеличиваются. Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при работе в активном режиме, в выражение (1.12) добавляют дополнительное слагаемое:

                                          ,                         (1.13)

где  – дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения  на ток  оценивается с помощью коэффициента обратной связи по напряжению

                                      ,                         (1.14)

который показывает, во сколько раз следует изменять напряжение  для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения  приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент  достаточно мал (÷), поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.

В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны превышать (3 ÷ 5). Если модули обратных напряжений, приложенных к переходам транзистора, окажутся меньше (3 ÷ 5), то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи его электродов окажутся больше, чем в области глубокой отсечки.

Учитывая, что напряжения  и  имеют знак минус, и считая, что ||>З и ||>З, выражение (1.9) запишем в виде

                                                                                          (1.15)

 

Подставив в (1.15) значение , найденное из (1.10), и раскрыв значение коэффициента А, получим

                                                       ,                                           (1.16)

.

Если учесть, что , а  <<, то выражения (1.16) существенно упростятся и примут вид

                                                            ,                                                   (1.17)

,

где ; .

Из (1.17) видно, что в режиме глубокой отсечки ток коллектора имеет минимальное значение, равное току единичного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора, так как  <<. Поэтому во многих случаях его считают равным нулю: .

Ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен току коллектора:

                                                     .                                 (1.18)

Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где биполярный транзистор выполняет функции электронного ключа.

В режиме насыщения оба p-n-перехода транзистора с помощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе () минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора транзистора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение . В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше максимального значения тока в коллекторной цепи: <.

Тогда коллекторный переход оказывается открытым, падение напряжения на транзисторе – минимальным и не зависящим от тока эмиттера. Его значение для нормального включения при малом токе  равно

                                                          .                                (1.19)

Для инверсного включения

                                            .                         (1.20)

В режиме насыщения уравнение (1.13) теряет свою справедливость. Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера (при нормальном включении) так, чтобы начало выполняться условие <. Причем значение тока , при котором начинается этот режим, зависит от тока , определяемого параметрами внешней цепи, в которую включен транзистор.

Три схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис. 1.5): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками . Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рис. 1.5, а, б) и тока эмиттера (рис. 1.5, в) соответственно на резисторах  и  создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами . Параметры схем обычно выбирают так, чтобы  было бы во много раз больше вызвавшего его приращения  (рис. 1.5, а, б) или близко к нему (рис. 1.5, в).

Рис. 1.5. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б),
с общим коллектором (в)

Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора зависит от схемы включения его в цепь, что следует из полученной общей математической модели (1.4). Так, для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис. 1.6, для схемы с ОЭ – на рис. 1.7.
На рис. 1.6,
а видны две области: активный режим (< 0), и коллекторный переход смещен в обратном направлении; режим насыщения (>0), и коллекторный переход смещен в прямом направлении.

Рис. 1.6. Статические характеристики идеализированного транзистора, включенного
по схеме с ОБ: а – выходные; б – входные

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические выходные и входные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а коэффициентом передачи базового тока . Это обусловлено тем, что в подобных случаях обычно задается изменение тока базы. Найдем связь между  и . Для этого используем уравнение (1.13) и уравнение .

Рис. 1.7. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора,
включенного по схеме с ОЭ

Подставив  в (1.17), получим

;

,

или                                             ,                         (1.21)

где ; ; ;  – обратный ток коллекторного перехода при .

Так как , то  >> 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, ÷. Падение напряжения на эмиттерном переходе в активном режиме составляет доли вольт, в то время как  – несколько десятков вольт. Поэтому в большинстве случаев справедливо допущение, что , с учетом которого (1.21) примет вид

                                                                           (1.22)

Следует обратить внимание на то, что в схеме с ОЭ влияние тока  и сопротивления  на коллекторный ток увеличивается в  раз по сравнению со схемой с ОБ.

Коэффициенты  и  зависят от тока, протекающего через транзистор. Эта зависимость во многом определяется технологией, по которой изготовлен конкретный транзистор, и обусловлена процессами рекомбинации в области
p-n-перехода, в базе и приповерхностных областях у эмиттерного перехода. Для инженерных расчетов применяют различные упрощенные аппроксимации зависимости  от тока:

,

; ,

где  – коэффициент передачи при токе .

Последнюю аппроксимацию целесообразно применять для расчета  у современных микромощных транзисторов в диапазоне токов А. При этом погрешность расчета находится в пределах 5 20 %.

Коэффициент  значительно меньше зависит от режима работы транзистора. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов увеличиваются при повышении температуры окружающей среды.

Зависимость коэффициентов  и  от режима работы приводит к тому, что дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов

                                                                 (1.23)

не равны соответствующим интегральным коэффициентам передачи, в которых принято, что

       ; .            (1.24)

Дифференциальные коэффициенты передачи базового и эмиттерного токов могут быть больше, меньше или равны интегральному. В дальнейшем зависимости ,  будем учитывать только в специальных случаях.

 Инерционные свойства транзистора. При быстрых изменениях входного сигнала, например , проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем "пролета" носителей заряда через область базы, временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и на установление необходимых концентраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток ) будет иметь искаженную форму.

Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на  (рис. 1.8, а), то  вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на  (рис. 1.8, б).

В инженерной практике чаще всего считают, что изменения выходного сигнала происходят по экспоненте с задержкой на время . Экспоненциальная функция имеет постоянную времени , приблизительно равную времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 установившегося значения. Изменения выходного сигнала не соответствуют изменениям входного. Это свидетельствует о том, что коэффициент  является функцией времени. Так как данная зависимость достаточно сложная, при практических расчетах ее заменяют более простыми функциями.

Рис. 1.8. Диаграмма изменения токов эмиттера (а) и коллектора (б)

В большинстве случаев считают, что в операторном виде изменение сигнала происходит в соответствии с выражением

                                                        ,                                       (1.25)

где  – статическое значение коэффициента передачи эмиттерного тока.

Постоянная времени , здесь  – предельная частота, на которой коэффициент  становится равным 0,7 своего статического значения (уменьшается на 3 дБ).

При необходимости учесть время задержки, выражение (1.25) несколько усложняют, вводя в числитель функцию :

                                                    .                               (1.26)

Иногда применяют другое приближение, которое является более сложным и менее удобным, но позволяет точнее аппроксимировать передаточную характеристику :

                                                         ,                             (1.27)

где .

Инерционные свойства транзистора, характеризуемые изменением коэффициента , находят путем подстановки в выражение изображения . После преобразований

                                                             ,                               (1.28)

где ;  – коэффициент передачи базового тока в области низких частот;  – предельная частота при включении транзистора по схеме с ОЭ.

Частотные свойства транзистора, включенного по схеме с ОЭ, значительно хуже, чем при включении по схеме с ОБ, так как >>, а <<.

Иногда используют и другую аппроксимацию, полностью аналогичную аппроксимации (1.27):

                                             .           (1.29)

В ряде случаев частотные свойства транзистора характеризуют не предельными частотами , , на которых модуль коэффициентов передачи уменьшается в 2 раза, а так называемой граничной частотой , на которой модуль коэффициента передачи тока базы | | становится равным единице. Найдем . Так как из (1.29) следует

                                                               ,                           (1.30)

получаем />> 1. Значит

                       .

Если , то  и, следовательно,

                .                             (1.31)

Полная эквивалентная схема транзистора имеет сложный вид и неудобна для анализа и расчета электронных цепей. Поэтому при расчете режимов работы транзисторных каскадов на постоянном токе, когда требуется выбирать положение рабочей точки, характеризующей токи транзистора и падения напряжения на нем (режим большого сигнала), используют эквивалентные схемы транзистора для постоянного тока (рис. 1.9). В них учтены только основные факторы, влияющие на постоянные токи и падения напряжения на электродах транзистора.

В качестве напряжения , которое запирает идеализированный диод (эмиттерный переход) и является контактной разностью потенциалов, обычно используют пороговое напряжение . Значение его находят как точку пересечения прямой линии, аппроксимирующей входную вольтамперную характеристику в области больших токов с осью абсцисс. Сопротивление p-n-перехода , значение которого зависит от режима работы транзистора, меняется в активном режиме в пределах десятых долей – десятков Ом. Омическое сопротивление
тела базы  достигает 100
200 Ом.

В транзисторах типа n-p-n в эквивалентной схеме меняется направление генераторов тока, полярность включения диода и напряжения .

Рис. 1.9. Упрощенные эквивалентные схемы p-n-p-транзисторов, включенных по схемам
с ОБ (а) и ОЭ (б); нахождение напряжения  (в)

При анализе усилительных свойств устройства, работоспособность которого обеспечена выбором необходимых токов и напряжений, используют эквивалентные схемы для переменного тока, показанные на рис. 1.10. Так как значения напряжений и токов переменного сигнала обычно значительно меньше, чем постоянного, то такие эквивалентные схемы часто называют малосигнальными.

Рис. 1.10. Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора при включении
по схемам с ОБ (а) и ОЭ (б)

Все сопротивления, входящие в эквивалентные схемы, дифференциальные, за исключением омического сопротивления базы .

Барьерная емкость коллекторного перехода  определяется с помощью тех же выражений, что и для диодов и p-n-переходов, причем емкость  в схеме с ОЭ увеличивается в  раз. Это вытекает из уравнения (3.31). Действительно, при учете емкости запертого коллекторного перехода его сопротивление для переменного тока определяется эквивалентным сопротивлением , состоящим из включенных параллельно сопротивлений  и :

||.

В схеме с ОЭ сопротивление  уменьшается в  раз (так же, как это было показано для ):

        ||.

Следовательно, в схеме с ОЭ

.

При расчетах генератором напряжения  обычно пренебрегают ввиду малости его напряжения.

Шумы транзистора. При работе транзисторов в них возникают шумы, которые могут быть обусловлены:

– неодинаковым числом электронов и дырок, проходящих через переход в единицу времени (высокочастотные дробовые шумы);

– тепловым шумом сопротивлений эмиттера, базы и коллектора (тепловые шумы);

– поверхностными явлениями у переходов (низкочастотные шумы);

– флуктуациями концентраций подвижных носителей заряда из-за нерегулярности процесса рекомбинаций (низкочастотные рекомбинационные шумы).

Величина шумов транзистора количественно оценивается коэффициентом шумов

или

,

где – напряжение тепловых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора; – напряжение, которое нужно ввести во входную цепь "нешумящего" транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.

h-параметры транзисторов. При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 1.11), на входе которого действует напряжение  и протекает ток , а на выходе – напряжение  и ток . Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид

                                             .                                            (1.32)

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий: | – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;  | – коэффициент обратной связи по напряжению;

| – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

| – выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Рис. 1.11. Схема транзистора, представленного в виде активного четырехполюсника

По эквивалентным схемам транзистора можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Если  и генератор напряжения  не учитывать, то для схем с ОБ и ОЭ (см. рис. 1.10)  параметры равны

; ;

; ;

                                  ; ;                        (1.33)

; .

В (1.33) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов порядка сотен Ом. Значения сопротивления  находятся в пределах долей – десятков мегаом, и ÷.

Аналогичный вид имеют статические значения h-параметров, определенные с помощью эквивалентной схемы для постоянного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только значения , :

   ;

                                                (1.34)

Они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

В технических условиях на транзисторы задают не коэффициенты , , а равные им в первом приближении параметры , . В дальнейшем при анализе цепей с биполярными транзисторами будем использовать параметры транзистора, выраженные через коэффициенты четырехполюсника. Коэффициенты  и  будем привлекать лишь для объяснения физических особенностей работы различных полупроводниковых приборов.

Основные параметры биполярных транзисторов и их ориентировочные
значения:

1) коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи, которые в первом приближении считают равными интегральным)

|; |;

2) дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

|,

где  – дифференциальное сопротивление эмиттера, которое составляет единицы – десятки Ом);

3) обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении ;  ( от нескольких наноампер до десятков миллиампер);

4) объемное сопротивление базы  (десятки сотни Ом); коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ;

5) выходная проводимость  или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

;

( составляет доли сотни микросименсов);

6) максимально допустимый ток коллектора (от сотен до десятков ампер);

7) напряжение насыщения коллектор эмиттер  (от десятых долей до единиц вольт);

8) наибольшая мощность рассеяния коллектором (от единиц милливатт до десятков ватт);

9) емкость коллекторного перехода  (единицы – десятки пикофарад);

10) тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом , где  — перепад температур между коллекторным переходом и корпусом;

11) предельная частота коэффициента передачи тока  или , на которой коэффициент передачи тока  уменьшается до 0,7 своего статического значения: ; (задаются или  или )единицы килогерц сотни мегагерц; иногда вместо предельной задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ  или , когда ;

12) максимальная частота генерации   это наибольшая частота, при которой транзистор может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.

Обозначения биполярных транзисторов состоят из шести или семи элементов. Первый элемент буква, указывающая исходный материал: Г германий, К кремний, А арсенид галлия. Для транзисторов специального назначения первый элемент цифра: 1 германий, 2 кремний, 3 арсенид галлия. Второй элемент буква Т. Третий элемент число, присваиваемое в зависимости от назначения транзистора (см. табл. 1.1). Четвертый, пятый и шестой элементы цифра, означающая порядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов, например: ГТ108А, 2Т144А, КТ602А, КТ3102А и т. д.

Таблица 1.1

Обозначение транзистора

Мощность,
рассеиваемая транзист
ором

Граничная частота коэффициента передачи тока, МГц

до 3

до 30

более 30

30 300

свыше 300

Шестизначное

Малая

1

2

3

Средняя

4

5

6

Большая

7

8

9

Семизначное

До 1 Вт

1

2

4

Свыше 1 Вт

7

8

9

1.1. Биполярные транзисторы с инжекционным питанием

Биполярные транзисторы с инжекционным питанием – класс полупроводниковых приборов, появившихся в результате развития интегральной технологии. На их основе выполняются экономичные логические элементы, запоминающие устройства, аналого-цифровые преобразователи и т.д.

Компоненты, выполненные на основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, имеют высокую степень интеграции, потребляют малую мощность, нормально функционируют при изменениях в широких пределах напряжения питания и потребляемой мощности, хорошо согласуются с существующими устройствами, построенными на биполярных транзисторах.

Отличительной особенностью биполярных транзисторов с инжекционным питанием является наличие дополнительной области с электропроводностью того же типа, что и у базы транзистора, и, следовательно, дополнительного
p-n-перехода. Дополнительная область носит название инжектора. Таким образом, транзистор с инжекционным питанием представляет собой четырехслойную структуру  (рис. 1.12, а), в которой можно выделить два транзистора - и - типов, соединенных между собой так, как показано на рис. 1.12, б. Дополнительный p-n-переход между областями  и  называют инжекторным.

Предположим, что эмиттер и база транзистора разомкнуты, а к инжекторному p-n-переходу подключено напряжение , смещающее его в прямом направлении (рис. 1.12, в). Пусть также к коллектору приложен запирающий потенциал . Тогда из области инжектора в область эмиттера инжектируются дырки, а из эмиттера в инжектор – электроны.

Для упрощения считаем, что вследствие различных удельных проводимостей областей инжекция имеет односторонний характер, и учитываем только дырки, инжектированные в эмиттер. В эмиттерной области у инжекторного
p-n-перехода возникает избыточная концентрация дырок, которые в соответствии с принципом электронейтральности в течение (3 5)  компенсируются электронами, поступающими в цепь эмиттера от внешнего источника. Вследствие диффузии носители заряда движутся от инжекторного p-n-перехода в глубь эмиттера.

Рис. 1.12. Планарный биполярный транзистор с инжекционным питанием: а структура; б  двухтранзисторная модель; в  подключение напряжений; г условное обозначение
транзисторов с инжектором
n-типа; д  условное обозначение транзистора с инжектором
p-типа; е эквивалентная схема

Достигнув эмиттерного p-n-перехода, дырки захватываются его полем и переходят в область базы, частично компенсируя заряд отрицательно заряженных ионов акцепторной примеси. Часть электронов, пришедших к переходу вместе с дырками, компенсирует заряды положительно заряженных ионов донорной примеси. Это приводит к снижению потенциального барьера эмиттерного p-n-перехода и уменьшению его ширины, т. е. последний смещается в прямом направлении.

В результате смещения эмиттерного p-n-перехода оставшаяся часть электронов, пришедших с дырками, перемещается в область базы, что эквивалентно их инжекции из области эмиттера. Дырки в базе, не рекомбинировавшие с ионами, обеспечивают ее электронейтральность. Эти носители заряда диффундируют в глубь базы к коллекторному p-n-переходу и, достигнув последнего, аналогичным образом смещают его в прямом направлении. Таким образом, и эмиттерный, и коллекторный переходы транзистора n-p-n-типа. смещены в прямом направлении, что, как известно из теории транзисторов, характеризует режим насыщения транзистора VT1. В режиме насыщения сопротивление транзистора и падение напряжения на нем малы, и его можно рассматривать как замкнутый ключ.

Все сказанное справедливо для случая, когда максимальный ток источника внешнего напряжения, создающего на коллекторе потенциал , меньше или равен  (рис. 1.13, а).

           б)  

Рис. 1.13. Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием (а);
соединение четырех транзисторов (б
)

Если теперь базу 2) соединить с помощью ключа П (рис. 1.12, в) с эмиттером, то дырки, достигшие эмиттерного p-n-перехода, переходят в базу и компенсируются электронами из внешней цепи. В этом случае потенциальный барьер эмиттерного перехода остается неизменным и инжекция электронов в цепь базы через эмиттерный p-n-переход отсутствует. В цепи базы будет протекать ток, вызванный движением электронов, "расходуемых" на рекомбинацию дырок:

 ,                                           (1.35)

где  коэффициент передачи эмиттерного (инжекторного тока транзистора VT2).

В коллекторной цепи ток практически отсутствует (равен ), так как коллекторный переход смещен в обратном направлении. Транзистор работает на границе активного режима и режима отсечки. Это состояние соответствует разомкнутому ключу. Напряжение зависит от сопротивления в коллекторной цепи и источника внешнего напряжения, к которому оно подключено.

Итак, в рассматриваемых режимах биполярный транзистор с инжекционным питанием является ключом, который находится в замкнутом состоянии при разорванной цепи базы и в разомкнутом, если последняя соединена с эмиттером. Это позволяет представить его на эквивалентной схеме обычным биполярным транзистором, между эмиттером и базой которого включен источник тока  (рис. 1.12, е). Если вывод базы замкнут с эмиттером, то в этой цепи протекает ток

.

Когда база разомкнута, ток коллектора определяется параметрами внешней цепи, к которой подключен коллектор, и равен или меньше .

Условные обозначения инжекционных транзисторов - и -типов приведены на рис. 1.12, г, д.

В применяемых на практике устройствах у одного транзистора обычно имеется несколько коллекторных областей (многоколлекторный транзистор).
В ряде конструкций и инжектор является общим для группы транзисторов.

Выходные характеристики транзистора с инжекционным питанием показаны на рис. 1.13, а. Если цепь базы разомкнута , то максимальный ток внешнего источника напряжения меньше или равен . Его сопротивление и падение напряжения  на нем малы. При замкнутой цепи базы коллекторный p-n-переход транзистора смещен в обратном направлении и в его цепи протекает только обратный ток , который мало зависит от приложенного напряжения.

При максимальном токе внешнего источника коллекторного напряжения, большем , транзистор будет находиться в активной области даже при . Падение напряжения на нем зависит от приложенного напряжения.

Для иллюстрации возможности использования биполярных транзисторов с инжекционным питанием рассмотрим упрощенную схему соединения между собой четырех транзисторов (рис. 1.13, б). Когда база транзистора VT1 разомкнута, он находится в состоянии насыщения и в его коллекторной цепи протекает ток  определяемый инжекцией и коэффициентом передачи  транзистора VT2.

Если , то падение напряжения на транзисторе VT1 мало и он эквивалентен замкнутому ключу. Транзистор VT2, наоборот, закрыт, так как цепь его базы через VT1 замкнута на эмиттер (точнее, он находится на границе отсечки и активной области). В цепи его коллектора протекает обратный
ток
. Так как этот ток невелик, то база транзистора VT3 находится в насыщенном состоянии; транзистор VT4 заперт.

Когда базу транзистора VT1 замыкают на эмиттер, т. е. подают такой потенциал, чтобы , состояния всех транзисторов изменяются на противоположные. Таким образом, используя транзисторы с инжекционным питанием, можно строить различные логические элементы.

Из сказанного ясно, что при использовании схем, выполненных на основе транзисторов с инжекционным питанием, необходимо иметь дополнительный источник напряжения. Он обеспечивает смещение в прямом направлении инжекторного перехода. В качестве его используют источники напряжения   В с включенным последовательно резистором, задающим ток .

Схемы на транзисторах с инжекционным питанием нормально функционируют при изменениях питающих токов в широких пределах. С увеличением тока их быстродействие увеличивается, но при этом возрастает потребляемая мощность.

       1.2. Контрольные вопросы

1. Для чего базу биполярного транзистора стараются выполнить как можно тоньше?

2. Почему выходные ВАХ биполярного транзистора представляют собой семейство характеристик?

3. Изобразите эквивалентную схему идеализированного биполярного транзистора и поясните по ней его принцип действия.

4. Как можно оценить влияние напряжения коллектор – база на ток эмиттера?

5. Чем характеризуется режим глубокой отсечки биполярного транзистора?

6. Чем характеризуется режим насыщения биполярного транзистора?

7. Чем характеризуется активный режим биполярного транзистора?

8. Какие основные схемы включения биполярного транзистора Вам известны? Изобразите эти схемы и соответствующие им входные и выходные ВАХ.

9. Чем обусловлены инерционные свойства биполярного транзистора? Приведите основные соотношения, описывающие поведение транзистора в динамическом режиме.

10. Приведите известные Вам малосигнальные эквивалентные схемы для основных включений биполярного транзистора.

11. Что такое h-параметры биполярного транзистора? Поясните физический смысл каждого параметра. Запишите уравнения, описывающие известные Вам h-параметры.

12. Какие основные параметры биполярных транзисторов Вам известны?

13. Что представляют собой биполярные транзисторы с инжекционным питанием? В чем Вы видите их основное назначение?

14. Поясните физический принцип действия биполярных транзисторов с инжекционным питанием.

2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называют полевыми транзисторами. У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны или дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-n-переходом и со структурой металл–диэлектрик–полупроводник (МДП-транзисторы).

Транзистор с управляющим р-n-переходом (рис. 2.1) представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которой сделаны два вывода – электроды стока и истока. Вдоль пластины выполнен электрический переход
(
р-n-переход или барьер Шотки), от которого сделан третий вывод – затвор. Внешние напряжения прикладывают так, что между электродами стока и истока протекает электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещает электрический переход в обратном направлении. Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, которая носит название канала, зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала.

Рис. 2.1. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим
p-n-переходом (а); условные обозначения транзистора, имеющего канал n-типа (б) и р-типа (в); типовые структуры (г, д); структура транзистора с повышенным быстродействием (е)

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим
р-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда, которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком, а электрод, к которому движутся основные носители заряда, называют стоком. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим р-n-переходом приведена на рис. 2.1, а. Условные обозначения приведены на рис. 2.1, б, в, а структуры выпускаемых промышленностью полевых транзисторов – на рис. 2.1, г – е.

Если в пластинке полупроводника, например n-типа, созданы зоны с электропроводностью р-типа, то при подаче на р-n-переход напряжения, смещающего его в обратном направлении, образуются области, обедненные основными носителями заряда (рис. 2.1, а). Сопротивление полупроводника между электродами истока и стока увеличивается, так как ток проходит только по узкому каналу между переходами. Изменение напряжения затвор – исток приводит к изменению размеров зоны объемного заряда (размеров р-n-перехода), т. е. к изменению сопротивления канала. Канал может быть почти полностью перекрыт и тогда сопротивление между истоком и стоком будет очень высоким (единицы – десятки мегаом).

Напряжение между затвором и истоком, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (Iс → 0), называют напряжением отсечки полевого транзистора UЗИотс. Строго говоря, при напряжении отсечки транзистор должен закрываться полностью, но наличие утечек и сложность измерения особо малых токов заставляют считать напряжением отсечки то напряжение, при котором ток достигает определенного малого значения. Поэтому в технических условиях на транзистор указывают, при каком токе стока произведено измерение UЗИотс.

Ширина р-n-перехода зависит также от тока, протекающего через канал. Если Uси  0, например Uси > 0 (рис. 2.1, а), то ток Iс, протекающий через транзистор, создаст по длине последнего падение напряжения, которое оказывается запирающим для перехода затвор – канал. Это приводит к увеличению ширины р-n-перехода и соответственно к уменьшению сечения и проводимости канала, причем ширина р-n-перехода увеличивается по мере приближения к области стока, где будет иметь место наибольшее падение напряжения, вызванное током Ic на сопротивлении канала Rси. Так, если считать, что сопротивление транзистора определяется только сопротивлением канала, то у края р-n-перехода, обращенного к истоку, будет действовать напряжение Uзи, а у края, обращенного к стоку, напряжение |Uзи| + Ucи .

При малых значениях напряжения Uси и малом Iс транзистор ведет себя как линейное сопротивление. Увеличение Uси приводит к почти линейному возрастанию Iс, а уменьшение Uси к соответствующему уменьшению Iс.

По мере роста Uси характеристика все сильнее отклоняется от линейной, что связано с сужением канала у стокового края. При определенном значении тока наступает так называемый режим насыщения (участок II на
рис. 2.2,
а), который характеризуется тем, что с увеличением Uси ток Iс меняется незначительно. Это происходит потому, что при большом напряжении Uси канал у стока стягивается в узкую горловину. Наступает своеобразное динамическое равновесие, при котором увеличение Uси и рост тока Iс вызывают дальнейшее сужение канала и соответственно уменьшение тока Iс. В итоге последний остается почти постоянным. Напряжение, при котором наступает режим насыщения, называется напряжением насыщения. Оно, как видно из рис. 2.2, а, меняется при изменении напряжения Uзи.

Так как влияние Uзи и Uси на ширину канала у стокового вывода практически одинаково, то

.

Рис. 2.2. Выходные характеристики полевого транзистора с управляющим
р-n-переходом (а); его входная характеристика (б) и характеристика передачи
(стокозатво
рная) (в): I – крутая область; II – пологая область, или область насыщения;
III – область пробоя

Итак, напряжение отсечки, определенное при малом напряжении
UСИ < UСИ нас, численно равно напряжению насыщения при UЗИ = 0, а напряжение насыщения при определенном напряжении на затворе UЗИ равно разности напряжения отсечки и напряжения затвор исток.

При значительном увеличении напряжения UСИ у стокового конца наблюдается пробой р-n-перехода.

В выходных характеристиках полевого транзистора можно выделить две рабочие области: OA и АВ. Область OA называют крутой областью характеристики; область АВ пологой, или областью насыщения. В крутой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление.
В усилительных каскадах транзистор работает на пологом участке характеристики. За точкой
В возникает пробой электрического перехода.

Входная характеристика полевого транзистора с управляющим
р-n-переходом (рис. 2.2, б) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-n-перехода. Хотя ток затвора несколько меняется при изменении напряжения UСИ  и достигает наибольшего значения при условии короткого замыкания выводов истока и стока (ток утечки затвора IЗ ут), им в большинстве случаев можно пренебречь. Изменение напряжения UЗИ не вызывает существенных изменений тока затвора, что характерно для обратного тока
р-n-перехода.

При работе в пологой области вольт-амперной характеристики ток стока при заданном напряжении UЗИ определяют из выражения

                (2.1)

где IСнач  начальный ток стока, под которым понимают ток при UЗИ = 0 и напряжении на стоке, превышающем напряжение насыщения: .

Так как управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то для количественной оценки управляющего действия затвора используют крутизну характеристики

                                                                                 (2.2)

Крутизна характеристики достигает максимального значения Sнач при
UЗИ = 0. Для определения значения S при любом напряжении UЗИ продифференцируем выражение (2.2):

                             (2.3)

При UЗИ  = 0 выражение (2.3) примет вид

                                  (2.4)

Подставив (2.4) в выражение (2.3), получим

     

Таким образом, крутизна характеристики полевого транзистора уменьшается при увеличении напряжения, приложенного к его затвору.

Начальное значение крутизны характеристики можно определить графо-аналитическим способом. Для этого проведем касательную из точки UЗИ = 0 к стокозатворной характеристике (рис. 2.2, в). Она отсечет на оси напряжений отрезок 0,5  UЗИ отс, и ее наклон определит значение Sнач.

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

        ,             (2.5)

который связан с крутизной характеристики и внутренним сопротивлением уравнением , где  – дифференциальное внутреннее сопротивление транзистора.

Действительно, в общем случае

                                                  и

.

Если при одновременном изменении UСИ и UЗИ IС = const, то dIc = 0, откуда

                        (2.6)

Так же, как и у биполярных, у полевых транзисторов различают режимы большого и малого сигналов. Режим большого сигнала чаще всего рассчитывают с помощью входных и выходных характеристик транзистора и эквивалентной схемы рис. 2.3, а. Для анализа режима малого сигнала широко применяют малосигнальные эквивалентные схемы рис. 2.3, б – г (транзистор с каналом
p-типа).

Так как сопротивления закрытых переходов R3C, R в кремниевых полевых транзисторах велики (десятки – сотни мегаом), их в большинстве случаев можно не учитывать. Для практических расчетов наиболее удобна эквивалентная схема рис. 2.3, г, хотя она значительно хуже отражает действительные физические процессы, протекающие в рассматриваемых транзисторах.

 


Рис. 2.3. Упрощенная эквивалентная схема полевого транзистора с управляющим
р-n-переходом для постоянного тока (а); малосигнальные эквивалентные схемы: полная (б), упрощенная (в), модифицированная (г)

Все емкости затвора на схеме заменены одной эквивалентной емкостью С3, которая заряжается через усредненное эквивалентное сопротивление RK. Можно считать, что RK равно статическому сопротивлению RCИотк в крутой области характеристик RCИотк – сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии транзистора при заданном напряжении сток – исток, меньшем напряжения насыщения. Сопротивление затвора (омическое) отражено эквивалентным сопротивлением R3, которое ввиду его большого значения (десятки – сотни мегаом) можно не учитывать.

Типовые значения параметров кремниевых транзисторов, входящих в эквивалентную схему: S = 0,3 ÷ 3 мА/В; R3 = 1010 Ом; RCИдиф = 0,1 ÷ 1 МОм;
Rк = 50 ÷ 800 Ом; С3 = 0,2 ÷ 10 пФ.

Емкости у полевого транзистора, а также конечная скорость движения носителей заряда в канале определяют его инерционные свойства. Инерционность транзистора в первом приближении учитывают путем введения операторной крутизны характеристики

                         (2.7)

где  – предельная частота, определенная на уровне 0,707 статического значения крутизны характеристики.

При увеличении или уменьшении температуры параметры и характеристики полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом будут меняться из-за воздействия следующих факторов: изменения обратного тока закрытого
р-n-перехода; изменения контактной разности потенциалов р-n-перехода; изменения удельного сопротивления канала.

Обратный ток у закрытого р-n-перехода возрастает по экспоненциальному закону при увеличении температуры. Ориентировочно можно считать, что он удваивается при увеличении температуры на 6 8 °С. Если в цепи затвора транзистора стоит большое внешнее сопротивление, то падение напряжения на нем, вызванное изменившимся током, может существенно изменить напряжение на затворе.

Контактная разность потенциалов уменьшается при увеличении температуры приблизительно на 2,2 мВ/С. При неизменном напряжении на затворе это приводит к увеличению тока стока. Для транзисторов с низким напряжением отсечки UИЗотс этот эффект является преобладающим и изменения тока стока будут иметь положительные значения.

Так как температурный коэффициент, характеризующий изменение удельного сопротивления канала, положителен, то ток стока при росте температуры уменьшается. Это открывает возможность правильным выбором положения рабочей точки транзистора взаимно компенсировать изменения тока IС, вызванные изменением контактной разности потенциалов и удельного сопротивления канала. В итоге ток стока будет почти постоянным в широком диапазоне температур.

Рабочую точку, в которой изменение тока стока с изменением температуры имеет минимальное значение, называют термостабильной точкой. Ее ориентировочное положение можно найти из уравнения

                              (2.8)

где U1 = 0,63 В.

Из (2.8) видно, что при значительном UЗИотс крутизна характеристики в термостабильной точке невелика и от транзистора можно получить значительно меньший коэффициент усиления, чем при работе с малым напряжением.

Современные полевые транзисторы, выполненные на основе кремния, работоспособны до температуры 120 150 °С. Их включение в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис. 2.4, а, б. Постоянное напряжение UСМ обеспечивает получение определенного значения сопротивления канала RCИ и определенный ток стока IC = E/(RCИ + R). При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно изменяются токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе R. Приращение падения напряжения на резисторе R при большом его значении значительно больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа электропроводности канала меняются только полярность приложенных напряжений и направление токов, в том числе и в эквивалентных схемах.

Рис. 2.4. Включение полевого транзистора в схемы: а с общим истоком;
б
с общим стоком

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим
р-n-переходом перед биполярными являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

МДП-транзисторы могут быть двух типов: транзисторы с встроенными каналами (канал создается при изготовлении) и транзисторы с индуцированными каналами (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

Транзисторы первого типа могут работать как в режиме обеднения канала носителями заряда, так и в режиме обогащения. Транзисторы второго типа можно использовать только в режиме обогащения. У МДП-транзисторов, в отличие от транзисторов с управляющим р-n-переходом, металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рис. 2.5), называемый подложкой.

Рис. 2.5. Структуры МДП-транзистора: а – планарный транзистор с индуцированным каналом; б – планарный транзистор со встроенным каналом; в – транзистор (изготовленный по V-технологии, обеспечивающей получение каналов длиной до 0,1 мкм), работающий до частот порядка 1,5 ГГц; г – транзистор с затвором из поликристаллического кремния, имеющий небольшое пороговое напряжение и большое быстродействие; 1 – диэлектрик;
2 – канал; 3  эпитаксиальный слой n-типа; 4 – подложка n+ типа

Управляющее напряжение можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника появляется канал р-типа за счет отталкивания электронов от поверхности в глубь полупроводника в транзисторе с индуцированным каналом. В транзисторе с встроенным каналом происходит расширение или сужение имевшегося канала. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и соответственно сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений 1010  1014 Ом (у транзисторов с управляющим р-n-переходом RBX = 107 ÷ 109 Ом).

Рассмотрим несколько подробнее работу МДП-транзистора с индуцированным р-каналом. Пусть в качестве исходного материала транзистора использован кремний, имеющий электропроводность n-типа. Роль диэлектрической пленки выполняет диоксид кремния Si02 (транзисторы, у которых диэлектриком является оксид или диоксид кремния, называют МОП-транзисторами
(металл – оксид – полупроводник)
). При отсутствии смещения (UЗИ = 0;
UСИ = 0; UИП = 0) приповерхностный слой полупроводника обычно обогащен электронами (рис. 2.6, а). Это объясняется наличием положительно заряженных ионов в пленке диэлектрика, что является следствием предшествующего окисления кремния и фотолитографической его обработки, а также присутствием ловушек на границе SiSi02. Напомним, что ловушки представляют собой совокупность энергетических уровней, расположенных глубоко в запрещенной зоне, близко к ее середине.

При подаче на затвор отрицательного напряжения UЗИ электроны приповерхностного слоя отталкиваются в глубь полупроводника, а дырки движутся к поверхности. Приповерхностный слой приобретает дырочную электропроводность (рис. 2.6, б). В нем появляется тонкий инверсный слой, соединяющий сток с истоком. Этот слой играет роль канала. Если между истоком и стоком приложено напряжение, то дырки, перемещаясь по каналу, создают ток стока. Путем изменения напряжения на затворе можно расширять или сужать канал и тем самым увеличивать или уменьшать ток стока.

Рис. 2.6. Распределение носителей заряда в приповерхностном слое

Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называют пороговым напряжением UЗИпор. Так как канал возникает постепенно, по мере увеличения напряжения на затворе, то для исключения неоднозначности в его определении обычно задается определенное значение тока стока, при превышении которого считается, что потенциал затвора достиг порогового напряжения
UЗИпор.

По мере удаления от поверхности полупроводника концентрация индуцированных дырок уменьшается. На расстоянии, приблизительно равном толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (р-n-переход). Благодаря ему сток, исток и канал изолированы от подложки; р-n-переход смещен приложенным напряжением в обратном направлении. Очевидно, что его ширину и ширину канала можно изменять за счет подачи на подложку дополнительного напряжения относительно электродов стока и истока транзистора. Следовательно, током стока можно управлять не только путем изменения напряжения на затворе, но и за счет изменения напряжения на подложке. В этом случае управление
МДП-транзистором аналогично управлению полевым транзистором с управляющим
р-n-переходом. Для образования канала на затвор должно быть подано напряжение, большее UЗИ пор.

Толщина инверсного слоя значительно меньше толщины обедненного слоя. Если последний составляет сотни – тысячи нанометров, то толщина индуцированного канала составляет всего 1 5 нм. Другими словами, дырки индуцированного канала "прижаты" к поверхности полупроводника, поэтому структура и свойства границы полупроводник – диэлектрик играют в МДП-транзисторах очень важную роль.

Дырки, образующие канал, поступают в него не только из подложки
n-типа, где их мало, и генерируются они сравнительно медленно, но также и из слоев р-типа истока и стока, где их концентрация практически неограниченна, а напряженность поля вблизи этих электродов достаточно велика.

В транзисторах с встроенным каналом ток в цепи стока будет протекать и при нулевом напряжении на затворе. Для его прекращения необходимо к затвору приложить положительное напряжение (при структуре с каналом р-типа), равное или большее напряжению отсечки UЗИотс. При этом дырки из инверсного слоя будут практически полностью вытеснены в глубь полупроводника и канал исчезнет. При приложении отрицательного напряжения канал расширяется и ток увеличивается. Таким образом, МДП-транзисторы с встроенными каналами работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения.

Как и полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, МДП-транзисторы при малых напряжениях uси  (в области I; рис. 2.7, б, в) ведут себя подобно линеаризованному управляемому сопротивлению. При увеличении напряжения uси ширина канала уменьшается вследствие падения на нем напряжения и изменения результирующего электрического поля. Это особенно сильно проявляется в той части канала, которая находится вблизи стока (рис. 2.7, а).

Рис. 2.7. Структура МДП-транзистора с измененной шириной канала при протекании тока Iс (а); его выходные характеристики с индуцированным (б) и встроенным (в) каналами:
I  крутая область; II пологая область, или область насыщения; III область пробоя;
IV  обедненный слой

Перепады напряжения, создаваемые током Iс, приводят к неравномерному распределению напряженности электрического поля вдоль канала, причем оно увеличивается по мере приближения к стоку. При напряжении uСИнас канал вблизи стока становится настолько узким, что наступает динамическое равновесие, когда увеличение напряжения uси вызывает уменьшение ширины канала и повышение его сопротивления. В итоге ток Iс мало меняется при дальнейшем увеличении напряжения uси. Эти процессы изменения ширины канала в зависимости от напряжения uси такие же, как и в полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом.

Выходные характеристики МДП-транзисторов аналогичны характеристикам полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (рис. 2.7, б, в). В них можно выделить крутую и пологую области, а также область пробоя. В крутой области I МДП-транзистор может работать как электрически управляемое сопротивление. Пологая область II обычно используется при построении усилительных каскадов. Аналитические аппроксимации вольт-амперных характеристик МДП-транзисторов не очень удобны и мало применяются в инженерной практике. При ориентировочных оценках тока стока в области насыщения можно использовать уравнение

                           (2.9)

где                                                      

Для транзисторов с встроенным каналом можно использовать уравне-
ние (2.9), если
UЗИпор заменить UЗИотс и учитывать знаки напряжений UЗИ  и UЗИотс.

Управляющее действие подложки можно учесть путем введения коэффициента влияния по подложке:

                              (2.10)

где  – крутизна характеристики по подложке, которая показывает, на сколько следовало бы изменить напряжение на затворе, чтобы при изменении напряжения подложки  UПИ  ток стока IС  остался неизменным.

Тогда при одновременном действии напряжений на затворе и подложке в выражения (2.9), (2.10) вместо UЗИ  следует подставлять UЗИэф (UЗИэ  = UЗИ η  UПИ).

При использовании подложки в качестве управляющего электрода целесообразно рассматривать выходные характеристики, специально определенные при разных напряжениях на подложке (рис. 2.8, а). Иногда снимают стокозатворные характеристики, которые наглядно показывают влияние на ток стока напряжений UЗИ и UПИ (рис. 2.8, б, в). Из рис. 2.8 видно, что пороговое напряжение UЗИ пор существенно зависит от напряжения на подложке.

Инерционные свойства МДП-транзисторов зависят от скорости движе-
ния носителей заряда в канале, межэлектродных емкостей
ССИ, СПИ,
СПС (рис. 2.8, г) и значений сопротивлений, через которые эти емкости заряжаются. При этом ввиду малого времени пробега носителей заряда через канал, который обычно имеет длину 0,1 5 мкм, влиянием последнего обычно пренебрегают.

Рис. 2.8. Выходные характеристики МДП-транзистора при различных напряжениях
на подложке и
 (а); стокозатворные характеристики МДП-транзисторов
с индуцированным и технологическим встроенными кан
алами (б) и при разных напряжениях на подложке (UСИ = const) (в); упрощенные эквивалентные схемы МДП-транзистора (г, д):
I режим обогащения; II  режим обеднения; 1 индуцированный канал;
2 встроенный канал

Значения емкостей, входящих в эквивалентную схему (рис. 2.8, г), не всегда известны. К тому же часть из них меняется в зависимости от напряжений на электродах, например СПС, СПИ. Поэтому на практике часто измеряют входную емкость с общим истоком С11И, выходную С22И и проходную С12И. Они характеризуют параметры полевого транзистора, который при заданном режиме измерения представлен эквивалентной схемой рис. 2.8, д. Она хуже отражает особенности транзистора, но ее параметры известны или легко могут быть измерены (входная емкость С11И 1 ÷ 5 пФ, проходная емкость С12И = 0,22 пФ, выходная емкость С22И = 2 ÷ 6 пФ).

Операторное уравнение крутизны характеристики МДП-транзисторов имеет тот же вид, что и для полевых транзисторов с управляющим
р-n-переходом (2.7). При этом постоянная времени . В типовом случае при длине канала 5 мкм предельная частота , на которой крутизна характеристики уменьшается в 0,7 раза, лежит в пределах нескольких сотен мегагерц.

Температурная зависимость порогового напряжения и напряжения отсечки обусловлена изменением положения уровня Ферми, изменением объемного заряда в обедненной области и влиянием температуры на значение заряда в диэлектрике. У МДП-транзисторов также можно найти термостабильную рабочую точку, в которой ток стока мало зависит от температуры. У разных транзисторов значение тока стока в термостабильной точке находится в пределах
IС = 0,05 ÷ 0,5 мА. Важным преимуществом МДП-транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации малых сигналов. Так, если в биполярных транзисторах в режиме насыщения напряжение UКЭ принципиально не может быть меньше нескольких десятков – сотен мВ, то у МДП-транзисторов при малых токах IС это падение напряжения, когда транзистор работает в крутой области, мало и определяется током IС и сопротивлением канала RСИ отк:

при

При уменьшении IC оно может быть сведено до значения, стремящегося к нулю. Так как широкое распространение получили МДП-транзисторы с диэлектриком из диоксида кремния Si02, то в дальнейшем будем их называть
МОП-транзисторами.

В настоящее время промышленность также выпускает МОП-транзисторы с двумя изолированными затворами (тетродные), например КП306, КП350. Наличие второго затвора позволяет одновременно управлять током транзистора с помощью двух управляющих напряжений, что облегчает построение различных усилительных и умножительных устройств. Характеристики их аналогичны характеристикам однозатворных полевых транзисторов, только количество их больше, так как они строятся для напряжения каждого затвора при неизменном напряжении на другом затворе. Соответственно различают крутизну характеристики по первому и второму затворам, напряжение отсечки первого и второго затворов и т. д. Подача напряжений на затворы ничем не отличается от подачи напряжения на затвор однозатворного МОП-транзистора.

Включение полевых МОП-транзисторов в схеме показано на рис. 2.9, 2.10.

Рис. 2.9. Включения МОП-транзистора с технологически встроенным каналом р-типа в схему с общим истоком, при котором постоянное напряжение UСМ обеспечивает режимы обеднения (а) и обогащения носителями заряда (б); включение в схему с общим стоком (в); включение тетродного транзистора в схему с общим истоком (г)

Рис. 2.10. Включение МОП-транзистора с индуцированным каналом р-типа в схему с общим истоком (а) и общим стоком (б)

На рис. 2.9, а, б показаны полярности постоянного напряжения UCM, обеспечивающего режимы обеднения и обогащения канала р-типа носителями заряда. На рис. 2.9, в показана схема с общим стоком, в которой UСМ обедняет канал носителями заряда. Аналогично включен тетродный МОП-транзистор (рис. 2.9, г), который обеспечивает перемножение напряжений UВХ1 и UВХ2.

В МОП-транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком (рис. 2.10, а) и общим стоком (рис. 2.10, б), постоянное напряжение UСМ должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.

Основные параметры полевых транзисторов и их ориентировочные

значения

1. Крутизна характеристики:

          мА/В;

2. Крутизна характеристики по подложке:

          мА/В.

3. Начальный ток стока IСнач – ток стока при нулевом напряжении UЗИ;
у транзисторов с управляющим
р-n-переходом IСнач = 0,2 ÷ 600 мА; у транзисторов с технологически встроенным каналом IСнач = 0,1 ÷ 100 мА; у транзисторов с индуцированным каналом IСнач = 0,01 ÷ 0,5 мкА.

  1.  Напряжение отсечки: UЗИотс (UЗИотс = 0,2 ÷10 В).
  2.  Пороговое напряжение: UЗИпор(UЗИ пор = 1 ÷ 6 В).
  3.  Сопротивление сток – исток в открытом состоянии RСИотк
    (RСИотк = 2 ÷ 300 Ом).
  4.  Постоянный ток стока: I max (IСmax от 10 мА до 0,7 А).
  5.  Остаточный сток стока: IСост – ток стока при напряжении UЗИост
    (IСост = 0,001 ÷ 10 мА).

9. Максимальная частота усиления:  – частота, на которой коэффициент усиления по мощности Кур равен единице ( – десятки – сотни мегагерц).

Обозначения полевых транзисторов аналогичны обозначениям биполярных транзисторов, только вместо буквы Т ставится буква П, например, КП103А, КП105Б и т. д.

МДП-структуры специального назначения. Кроме вышерассмотренных полевых транзисторов, которые выпускаются в виде самостоятельных компонентов, применяется ряд МОП-структур со специфичными свойствами
(рис. 2.11). Они являются составной частью отдельных микр
осхем.

Рис. 2.11. МНОП-структура в режимах записи (а) и стирания информации (б);
вольт-амперные стокозатворные характеристики при наличии (4)

и отсутствии (5) записанного заряда (в); 1 алюминий; 2  Si3N4; 3  SiО2

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполнен двухслойным. Он состоит (рис. 2.11) из тонкого слоя оксида SiО2 и толстого слоя нитрида Si3N4 (80 100 нм). На границе этих двух слоев, а также в слое нитрида имеются "ловушки" электронов. Поэтому при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряже-
ния (28
30 В) электроны из подложки туннелируют через тонкий слой SiО2 и захватываются "ловушками". Появляются неподвижные отрицательно заряженные ионы. Созданный ими заряд повышает пороговое напряжение UЗИпор (кривая 4, рис. 2.11, в). Причем этот заряд может храниться в течение нескольких лет при отключении всех напряжений питания, так как слой SiО2 предотвращает какой-либо перенос заряда в отсутствии электрического поля достаточно большой напряженности. Если на затвор подать большое отрицательное напряжение (28 30 В), то накопленный заряд рассасывается (рис. 2.11, б).

После его отключения пороговое напряжение для транзистора существенно уменьшается (кривая 5, рис. 2.11, в). Разность между UЗИпор и UЗИпор2 называется межпороговой зоной Uпор (Uпор  12 В). На основе МНОП-структур выполняются запоминающие элементы, которые в зависимости от записанного в них "заряда" будут иметь малое или большое сопротивление при подаче одинакового напряжения UЗИ (порядка 3 5 В). Межпороговая зона несколько уменьшается при многократно повторяемых процессах перезаписи, но при этом остается достаточно широкой.

МОП-структуры с плавающим затвором и лавинной инжекцией имеют затвор, который выполнен из кристаллического кремния и не имеет электрических связей с другими частями структуры (рис. 2.12). При подаче высокого напряжения на сток или исток транзистора возникает лавинный пробой
p-n-перехода, образованного этой областью и подложкой. При этом электроны приобретают достаточно большие энергии, позволяющие им проникнуть в изолирующий слой и достигнуть затвора. На затворе появляется отрицательный заряд, который вследствие высоких изолирующих свойств диэлектрика сохраняется на протяжении многих лет (уменьшается приблизительно на 25 % за
10 лет). Величину заряда выбирают такой, чтобы она обеспечила появление электропроводного канала, соединяющего сток и исток.

Рис. 2.12. МОП-структуры с плавающим затвором в режиме записи (а), и в режиме
стирания
(б): 1 – плавающий затвор из поликристаллического кремния;
2 диэлектрик SiО2

Для того чтобы транзистор стал неэлектропроводящим, необходимо убрать электрический заряд с "плавающего" затвора. Для этого область затвора подвергают воздействию ультрафиолетового излучения (или ионизирующего излучения другого вида). Мощность его должна быть достаточной для ионизации и возникновения в цепи затвора фототока, в результате которого электроны
рекомбинируют с дырками и заряд исчезает. Облучение проводят через специальные окошки из кварцевого стекла, имеющиеся в микросхемах. Источниками излучения служат кварцевые лампы.

Данные МОП-транзисторы используются при создании микросхем памяти для цифровых устройств. По завершении записи информации, осуществляемой рассмотренным способом, одни транзисторы становятся электропроводными, а другие  нет. Записанная информация может быть стерта, вместо нее записана другая, хотя процессы стирания и перезаписи достаточно трудоемки.

В настоящее время разработаны более совершенные лавинно-инжекционные МОП-структуры с плавающим затвором, в которые введен второй управляющий затвор. В них стирание информации может быть выполнено импульсами напряжения амплитудой около 5 В, что ускоряет и упрощает процесс перепрограммирования.

2.1. Контрольные вопросы

1. Поясните физический принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом.

2. Изобразите входные и выходные ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Почему выходные ВАХ представляют собой семейство характеристик?

3. Какие основные типы МДП-транзисторов Вам известны? Поясните физический принцип действия МДП-транзисторов с встроенным каналом.

4. Какие основные типы МДП-транзисторов Вам известны? Поясните физический принцип действия МДП-транзисторов с индуцированным каналом.

5. Какие основные схемы включения полевых транзисторов Вам известны? Приведите малосигнальные эквивалентные схемы для этих схем.

6. Поясните физический принцип действия МДП-транзисторов. В чем Вы видите основное преимущество МДП-транзистора по сравнению с полевым транзистором с управляющим p-n-переходом?

7. Изобразите входные и выходные ВАХ МДП-транзисторов с встроенным и индуцированным каналом. Почему выходные ВАХ представляют собой семейство характеристик? Какие области можно выделить на выходных ВАХ и чем они характеризуются?

8. Чем обусловлены инерционные свойства полевого транзистора? Приведите основные соотношения, описывающие поведение транзистора в динамическом режиме.

9. Как влияет изменение напряжения на подложке на входные и выходные ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом?

10. Как влияет изменение напряжения на подложке на входные и выходные ВАХ МДП-транзистора?

11. В чем Вы видите основные достоинства полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом по сравнению с биполярными транзисторами?

12. В чем Вы видите основные достоинства МДП-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами?

13. Что собой представляют МОП-транзисторы? В чем Вы видите их основные отличия от МДП-транзисторов?

14. Перечислите известные Вам области применения МОП-транзисторов.

15. Какие основные параметры полевых транзисторов Вам известны?


3. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

3.1. Общие сведения о компонентах оптоэлектроники

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы.

В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Устройства оптоэлектроники имеют ряд преимуществ перед чисто электронными устройствами.

В них обеспечивается практически полная гальваническая развязка между входной и выходной цепями. Отсутствует обратное влияние приемника сигнала на его источник. Легко согласуются между собой электрические цепи с разными входными и выходными импедансами. Оптоэлектронные устройства имеют широкую полосу пропускания и преобразования сигналов, большое быстродействие и высокую информационную емкость оптических каналов связи (до 10 – 1015 Гц). В связи с тем, что в оптической цепи носителями заряда являются электрически нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются, на подобные цепи практически не влияют всевозможные помехи, вызванные электрическими и магнитными полями. В электронных и электрических цепях, где носителями заряда являются электроны, имеющие определенный электрический заряд, всегда наблюдается "взаимодействие" носителей заряда с электрическими и магнитными полями, вследствие чего информационные сигналы искажаются.

К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся: плохая временная и температурная стабильность характеристик; сравнительно большая потребляемая электрическая мощность; сложности изготовления универсальных устройств для обработки информации; меньшие функциональные возможности по сравнению с интегральными микросхемами; жесткие требования к технологии изготовления. Вследствие этого компоненты оптоэлектроники и электроники существуют не отрицая друг друга и каждый из них используется в той области, где применение его более целесообразно.

Оптоэлектронными приборами называют устройства, излучающие и преобразующие излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра или использующие для своей работы электромагнитные излучения, частоты которых находятся в этих областях.

В общем случае термин "оптоэлектронный прибор" характеризует устройство, в котором имеются элементы, обеспечивающие генерирование оптического излучения, его передачу и прием. Сейчас к оптоэлектронным устройствам также относят: полупроводниковые приборы и микросхемы, выполняющие функции устройств оптической переработки информации; устройства отображения информации; сканисторы – устройства развертки изображений; единичные преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот – фотоизлучатели и фотоприемники.

Для осуществления элементарного преобразования в оптоэлектронике необходимо иметь управляемый источник света (фотоизлучатель), яркость свечения которого однозначно определяется электрическим сигналом, а также фотоприемник, сопротивление или ЭДС которого зависит от его освещенности.

Основным компонентом оптоэлектроники является "пара с фотонной связью", называемая оптроном. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник, состоящий из трех элементов: источника света 1, световода 2 и приемника света 3 (рис. 3.1, а). В таких оптронах развязка между входом и выходом характеризуется только сопротивлением утечки цепи и составляет 1013  1016 Ом. Входной электрический сигнал в виде импульса или перепада входного тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Внутренняя связь в оптроне данного типа – фотонная, а внешние – электрические.

Возможен также тип оптрона с электрической внутренней связью и фотоновыми внешними связями (рис. 3.1, б). Он служит для усиления световых сигналов или преобразования сигнала одной частоты в сигнал другой, например сигналов невидимого инфракрасного излучения в сигнал видимого спектра. Фотоприемник 1 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается электронным усилителем 2 и возбуждает источник света 3, частота излучения которого может существенно отличаться от частоты входного сигнала.

С помощью более сложных оптических и электрических связей удается получить оптроны с самыми различными свойствами.

Рис. 3.1. Структурная схема оптронов с внутренней фотонной связью (а) и
с внутренней электрической связью
(б)

3.2. Управляемые источники света

Источник, световой поток или яркость которого является однозначной функцией электрического сигнала, поступающего на его вход, называют управляемым источником света.

Общими требованиями к управляемым источникам света оптоэлектронных цепей являются: стабильность и линейность характеристики преобразования, миниатюрность, малая потребляемая мощность, большой срок службы, высокая надежность, высокая эффективность, достаточно большое быстродействие, возможность изготовления в виде интегральных микросхем, возможность смещения спектральных характеристик в любую заданную часть рабочей области спектра, механическая прочность и технологичность.

В основе работы управляемых излучателей света лежит одно из следующих физических явлений: температурное свечение; излучение при газовой разрядке; электролюминесценция; индуцированное излучение.

В некоторых случаях управляемый источник света может быть получен соединением двух оптических приборов: неуправляемого источника света с постоянным световым потоком и модулятора света, т. е. устройства, пропускная способность которого зависит от электрического сигнала, поданного на него. Существующие излучатели только частично удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ней. Это существенно тормозит развитие оптоэлектроники.

Лампы накаливания представляют собой вакуумированный баллон с вольфрамовой нитью накаливания. Они имеют широкий спектр излучения, который в основном лежит в инфракрасной области (0,4 4 мкм), сравнительно инерционны и не позволяют работать на частотах выше 10 20 Гц. Временная стабильность параметров низкая. В лампах накаливания достигаются высокие уровни освещенности. Они являются дискретными элементами, плохо сочетающимися с транзисторными и интегральными схемами. В качестве примера излучателей можно привести миниатюрные лампы НСМ-9, НСМ-25 и т.д.
Ампер-яркостная характеристика НСМ-9 приведена на рис. 3.2,
а. Из нее видно, что на расстоянии 1 мм при токе порядка 25 мА лампа создает освещенность порядка 103 лк. Этого вполне достаточно для нормальной работы практически всех фотоприемников.

Рис. 3.2. Ампер-яркостная характеристика лампы накаливания НСМ-9 на расстоянии
1 мм (а); вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка между двумя
электродами
(б); включение лампы тлеющего разряда в цепь (в): 1 темный разряд;
2 нормальный тлеющий разряд; 3  аномальный тлеющий разряд; 4 дуговой разряд

В газоразрядных источниках излучения используется явление свечения, наблюдаемое при протекании электрического тока через ионизированный газ. Причины его появления поясним на примере рассмотрения газоразрядного промежутка между двумя электродами, находящимися в среде инертного газа (обычно неона Ne или ксенона Не) либо их смесей (рис. 3.2, б). Если к электродам приложить малое напряжение , то в цепи будет протекать малый ток, обусловленный наличием в газе небольшого числа ионов, возникших вследствие воздействия теплоты, падающего света и космического излучения, а также вызванный эмиссией (излучением) электронов из электрода, находящегося под отрицательным потенциалом (катода). Это так называемый темновой разряд, при котором нет видимого свечения газа.

С повышением напряжения электроны, эмиттируемые катодом, приобретают большие скорости и начинают ионизировать газ. В результате появляются дополнительные электроны и ионы, но до точки А их недостаточно для возникновения самостоятельного разряда. За точкой А начинается самостоятельный разряд. Напряжение в точке А называется напряжением зажигания. На участке АС происходит уменьшение напряжения при увеличении тока. За точкой С
начинается тлеющий разряд (область СЕ). В нем представляют интерес обла-
сти
2 нормального и 3 аномального разрядов. В области 2 увеличение тока приводит к увеличению площади катода, занятого разрядом. При этом плотность тока и падение напряжения между электродами UГОР остаются постоянными. Когда весь катод оказывается "занятым" разрядом, то при дальнейшем увеличении тока наблюдается повышение падения напряжения и тлеющий разряд становится аномальным.

Физические процессы, происходящие в области за точкой А, можно упрощенно представить следующим образом. Электроны, испускаемые катодом под воздействием света, внешних излучений и бомбардировки катода ионами, приобретают в электрическом поле такую скорость, что начинается лавинная ионизация газа. Положительно заряженные ионы под действием электрического поля движутся к катоду и, бомбардируя его, вызывают появление дополнительных электронов, необходимых для поддержания самостоятельного разряда. Часть ионизированных и тем самым возбужденных атомов газа переходит в нормальное невозбужденное состояние путем "присоединения" электрона к положительно заряженному иону. При этом излучается квант света. Другая часть положительно заряженных ионов накапливается вблизи катода, образуя положительный пространственный заряд. Основная часть напряжения, приложенного к электродам, падает на этом небольшом прикатодном участке. Пространственные заряды положительно заряженных ионов и электронов, находящихся в газоразрядном промежутке, в значительной степени уравновешивают друг друга. Поэтому в газонаполненном приборе удается получить большие токи при сравнительно небольшом напряжении, приложенном к электродам.

Яркость свечения тлеющего разряда при прочих равных условиях пропорциональна току, причем излучает не весь газоразрядный промежуток, а только узкие области вблизи катода и анода. Видимое излучение тлеющего разряда зависит от типа газа, заполняющего объем. Так, неон дает оранжевое, а гелий и аргон – желтое и фиолетовое излучения, которые сосредоточены в основном около катода. Кроме того, имеются очень интенсивное инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Это позволяет получать свечение разного цвета с помощью различных люминофоров, которые начинают светиться под влиянием ультрафиолетового облучения или электронной бомбардировки. Так как разные люминофоры, например ZnO; Zn; Zn2Si04 и т. д., имеют разные цвета свечения (зеленый, синий, красный), то регулированием режима и условий горения разряда, а также установкой светофильтров можно изменять цвета свечения газоразрядного источника излучения.

В источниках излучения обычно используют аномальную зону тлеющего разряда, в которой свечение наблюдается по всей площади катода.

Таким образом, для возникновения самостоятельного разряда в газовом промежутке к электродам нужно приложить напряжение, большее или равное UЗАЖ, и уменьшить это напряжение до нужного значения (горения) после его появления. Последнее обычно выполняют с помощью балластного резистора , включаемого последовательно с газонаполненным излучателем света (рис. 3.2, в). Напряжение  берется больше UЗАЖ (значение UЗАЖ зависит от конструкции лампы, типа газа и давления в баллоне, . При возникновении тлеющего разряда ток в цепи увеличивается и соответственно повышается падение напряжения на резисторе . В итоге падение напряжения на газонаполненной лампе становится равным напряжению , которое падает на лампе при данном значении тока разряда.

Наблюдается некоторое запаздывание зажигания разряда, которое носит случайный характер. Это обусловлено тем, что концентрация ионов в газовом промежутке и эмиссия электронов из катода зависят от большого числа нестабильных факторов. Поэтому время запаздывания может достигать десятков сотен микросекунд. Для устранения этой нестабильности в составе сложных излучающих устройств предусматривают ячейки, в которых постоянно горит разряд, обеспечивая этим сравнительно стабильную концентрацию носителей заряда в газовом промежутке. Время запаздывания зажигания в таких устройствах не превышает единиц микросекунд.

Для прекращения газового разряда и потухания газонаполненного прибора необходимо уменьшить напряжение на электродах так, чтобы оно стало меньше . В этом случае самостоятельный разряд прекращается и происходит деионизация газового промежутка. Время деионизации от сотых долей до нескольких микросекунд.

Газонаполненные излучатели, в которых электроды находятся в непосредственном контакте с газом, могут работать как на постоянном, так и на переменном токах. В связи с тем, что место свечения и его конфигурация должны быть стабильны и достаточно четко определены, они часто работают при постоянном напряжении и электроды анода и катода четко оговариваются.

Имеется также второй вид газоразрядных источников излучения, в которых электроды электрически изолированы от газа диэлектрической пленки. Они работают только при питании от источника напряжения достаточно высокой частоты и поэтому иногда называются газоразрядными источниками излучения переменного тока. Принцип работы таких приборов поясним на примере двухэлектродного прибора (рис. 3.3, а). Пусть на электроды 1, изолированные от газа диэлектриком 2 и находящиеся в баллоне 3, наполненном газом
(рис. 3.3,
а), поданы прямоугольные импульсы высокой частоты (рис. 3.4). В исходном состоянии емкости С1 и С2 (рис. 3.3, б), образовавшиеся между электродами 1 и газом, разряжены. Все приложенное к электродам напряжение падает на сопротивление  и емкости  газового промежутка.

Рис. 3.3. Упрощенная конструкция газоразрядного источника излучения переменного тока (а), его эквивалентная схема (б), распределение зарядов в момент окончания действия напряжения одной полярности (в) и в момент подачи напряжения другой полярности (г):
1 электроды, 2  диэлектрический изолятор, 3 баллон с газом

Если это напряжение меньше  (промежуток ), то тлеющий разряд не возникает и свечение отсутствует. При увеличении приложенного напряжения до  или большего ему (момент времени ) возникнет тлеющий разряд аналогично вышерассмотренному. При этом в газовом промежутке появится электрический ток проводимости, обеспечивающей заряд емкостей С1 и С2 (создавая во внешней цепи токи смещения). Тлеющий разряд и свечение продолжаются до тех пор, пока вследствие заряда емкостей С1 и С2 напряжение, приложенное к газовому промежутку, не станет меньшим . При его снижении ниже  разряд прекращается. Однако напряжение в емкостях С1 и С2 продолжает повышаться вследствие тока темнового разряда. По окончании разряда падение напряжения на газовом промежутке несущественно отличается от нуля.

Напряжение  направлено навстречу напряжению  (рис. 3.3, в). В момент времени  полярность напряжения питания изменяется на противоположную и к электродам оказывается приложенной сумма напряжения поддержания разряда  и напряжения на емкостях С1 и С2(U ПР + U C) (рис. 3.3, г) Если , то произойдет новый разряд и вспышка света, а емкости С1 и С2 опять перезарядятся. При следующем изменении полярности произойдет новая вспышка и перезарядка емкостей и т. д., причем в начальный момент времени значение напряжения на емкостях С1, С2 несколько меняется, а после нескольких циклов наступает равновесный режим, который характеризуется постоянным изменением заряда на емкостях от цикла к циклу.

Это имеет место в том случае, когда значение приложенного напряжения, обеспечившего зажигание, больше определенного значения, называемого минимальным импульсом записи. Включенный газонаполненный источник излучения переменного тока генерирует световые импульсы, которые воспринимаются глазом как непрерывное свечение, причем в промежутках времени между импульсами напряжения поддержания разряда ячейка "помнит" о включенном состоянии.

Для того чтобы прекратить разряд, необходимо подать дополнительное напряжение, которое уменьшило бы заряд на емкостях С1 и С2 так, чтобы
UC + UПР < UЗАЖ. Тогда значение напряжения поддержания разряда будет недостаточным для очередного разряда ячейки и она гаснет, переходя во второе стабильно выключенное положение. Это может быть выполнено с помощью дополнительного импульса (импульса стирания), уменьшающего заряд на емкостях С1 и С2, приложенного, например, так, как показано на рис. 3.4, б. Длительность стадии выключения обычно меньше 1 мкс.

Рис. 3.4. Форма напряжения для зажигания (а) и гашения (б) газоразрядного источника излучения переменного тока

Таким образом, газонаполненный источник излучения переменного тока имеет два устойчивых состояния включенное и выключенное (имеет бистабильную характеристику) и сохраняет память о своем исходном состоянии.

Напряжение, поддерживающее разряд, может иметь другую форму, например синусоидальную. Частота изменения напряжения обычно берется в несколько десятков килогерц. Длительность фронтов зажигающих импульсов желательно иметь менее 1 мкс.

Газоразрядные лампы работают при токах в диапазоне от единиц до десятков миллиампер и напряжениях, больших 50 60 В. Яркостная характеристика
B = f(I) у приборов постоянного тока близка к линейной в широком диапазоне значений токов. Эти приборы имеют невысокую временную стабильность параметров и значительные габариты. Микроминиатюризация газоразрядных источников света затруднена, поэтому они плохо совместимы с интегральными микросхемами, но успешно используются в составе устройств отображения информации.

Оба типа излучателей, особенно лампы накаливания, достаточно широко используются в низкочастотных оптоэлектронных цепях, несмотря на их существенные недостатки.

Электролюминесцентные управляемые источники света в настоящее время считаются наиболее перспективными.

Люминесценция это световое излучение, превышающее тепловое излучение при той же температуре и имеющее длительность, значительно превышающую периоды излучений в оптическом диапазоне спектра (более 10-10 с).

Для возникновения люминесценции в каком-либо теле, в том числе и в полупроводнике, необходимо привести его с помощью внешних источников энергии в возбужденное состояние, т. е. в состояние, при котором его внутренняя энергия превышает равновесную при данной температуре.

Если источником внешней энергии является свет, то наблюдается фотолюминесценция. При возбуждении тела быстрыми электронами (или другими частицами) возникает катодолюминесценция. При воздействии электрического поля или тока появляется электролюминесценция.

Люминесценция характеризуется достаточно длительным свечением после того, как действие возбуждающего фактора прекратилось. Это обусловлено тем, что акты поглощения квантов возбуждающей энергии отделены по времени от актов излучения. В итоге излучение при люминесценции является некогерентным и имеет достаточно широкий спектр.

Электролюминесценция в полупроводниковых элементах оптоэлектроники может быть вызвана как электрическим полем, так и током. При воздействии электрического поля на полупроводники, называемые люминофорами, возникает ударная ионизация их атомов электронами, ускоренными электрическим полем, а также эмиссия электронов из центров захвата. Вследствие этого концентрация свободных носителей заряда превысит равновесную и полупроводник окажется в возбужденном состоянии.

Возбуждение электрическим током обычно происходит в тех полупроводниках, где созданы электрические переходы. Избыточная концентрация носителей заряда в них обеспечивается или за счет инжекции неосновных носителей заряда под действием внешнего источника напряжения, или за счет лавинного и туннельного пробоев, возникающих под воздействием внешнего напряжения, приложенного в обратном направлении.

К электролюминесцентным источникам света обычно относят порошковые, сублимированные, монокристаллические фосфоры, у которых в сильных электрических полях возникает электролюминесценция, а также инжекционные диоды, излучение которых обусловлено интенсивной рекомбинацией в результате инжекции через p-n-переход неосновных носителей заряда.

По эффективности (при комнатной температуре) электролюминесцентные источники света, за редким исключением, уступают лампам накаливания и газоразрядным источникам света. Однако они имеют и ряд существенных преимуществ: технологичность, высокое быстродействие, большой срок службы, надежность в эксплуатации, микроминиатюрность исполнения, высокую монохроматичность излучения.

Электролюминесцентные конденсаторы (рис. 3.5, а) представляют собой многослойную структуру, состоящую из подложки 1, на которую последовательно нанесены проводящий слой 2, служащий нижним электродом, слой люминофора 3, защитный слой 4 и верхний электрод 5. Между верхним и нижним электродами создается электрическое поле, возбуждающее электролюминесценцию электролюминофора. Если выход света осуществляется со стороны подложки, то последнюю выполняют прозрачной (стекло, слюда, кварц). В этом случае проводящее покрытие также должно быть прозрачным. При этом используют оксиды различных металлов: SnО2, In2О3, GdO и др. В качестве электролюминофоров используют фосфоры, среди которых особое место занимают соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов (так называемые соединения типа AIIIBV) с примесями из элементов шестой и четвертой групп. В первую очередь, это соединения цинка и кадмия с серой и селеном: ZnS, ZnSe, ZnSSe, GaAs GaP, GaAs AlAs и др. Условное обозначение электролюминесцентных конденсаторов дано на рис. 3.5, б.

Характеристики электролюминесцентного конденсатора зависят от конструкции и материала люминофора. Последний представляет собой либо комплекс из мелкодисперсного порошка фосфора, взвешенного в диэлектрике (порошковые фосфоры), либо тонкую однородную поликристаллическую пленку, полученную испарением в вакууме (сублимат фосфора).

В первом случае из-за наличия диэлектрика электролюминесцентный конденсатор может работать только на переменном напряжении. При этом рабочие напряжения достаточно высокие (50 300 В), так как размеры зерен не позволяют получить толщину меньше 40 100 мкм. Предполагается, что при скачкообразном воздействии напряжения в микрокристаллах за счет ударной ионизации полем создаются свободные носители заряда. Одна часть из них успевает рекомбинировать, вызвав при этом излучение, другая (в основном электроны) уносится полем к концу кристалла. В результате при неизменном приложенном напряжении ионизированные центры излучательной рекомбинации и свободные электроны оказываются разнесенными в пространстве и излучение отсутствует. Если напряжение выключить, то свободные электроны возвратятся к ионизированным центрам, произойдет рекомбинация и вновь появится излучение.

Рис. 3.5. Электролюминесцентный конденсатор: а – структура;
б
условное обозначение: в яркостная характеристика

В случае сублимата фосфора возможна работа на постоянном токе. Из-за малой толщины пленок рабочие напряжения лежат в пределах 2 2,5 В. Высвечивание, в зависимости от типа фосфора и примесей, лежит в видимой области спектра в диапазоне от 450 нм (голубое свечение) до 600 нм (желто-оранжевое свечение).

Крутизна вольт-яркостной характеристики (рис. 3.5, в), оцениваемая кратностью изменения яркости при уменьшении напряжения на ячейке в два раза от номинального, довольно велика (500 1000 для сублимата фосфора и 20 25 для порошковых фосфоров).

Электролюминесцентные конденсаторы характеризуются низкой стабильностью и малым сроком службы, что обусловлено явлениями старения (при постоянном напряжении возбуждения яркость высвечивания электролюминесцентного конденсатора уменьшается со временем). Если срок службы оценивать временем, за которое яркость уменьшится в два раза по сравнению с исходной, то для порошковых фосфоров оно составит 103  104 ч, а для сублимата фосфора 300 500 ч.

Инерционность электролюминесцентных конденсаторов довольно значительна (время разгорания и затухания ~10-3  10-4 с).

Области применения таких конденсаторов усилители и преобразователи излучения с большим коэффициентом усиления, малогабаритные индикаторные экраны и табло, логические элементы и другие низкочастотные цепи.

Невысокая яркость свечения, малый ресурс, нестабильность параметров и довольно низкое быстродействие ограничивают применение электролюминесцентных конденсаторов в оптоэлектронике.

Инжекционные светодиоды также относятся к электролюминесцентным источникам света. Светодиод представляет собой излучающий p-n-переход, свечение в котором возникает вследствие рекомбинаций носителей заряда (электронов и дырок). Оно наблюдается при смещении перехода в прямом направлении.

Как известно, прохождение тока через p-n-переход в прямом направлении сопровождается рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Состояние полупроводника, которое возникает при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход и характеризуется наличием в зоне проводимости значительного количества электронов, а в валентной зоне большого количества дырок, не является достаточно устойчивым, и поэтому наблюдается непрерывный переход электронов из зоны проводимости в валентную зону. Рекомбинации происходят в примыкающих к переходу слоях, ширина которых определяется диффузионными длинами  и . Этот процесс в большинстве полупроводников осуществляется через примесные центры ("ловушки"), расположенные вблизи середины запрещенной зоны, и является безизлучательным. В процессе каждой рекомбинации выделяется энергия, определяемая разницей энергий между уровнями рекомбинирующих частиц и выделяемая в виде тепловой энергии (фонона). Эта энергия передается атомам решетки при безизлучательной рекомбинации. Однако в ряде случаев процесс рекомбинации сопровождается выделением кванта света фотона. Это обусловлено тем, что в определенных материалах (GaAs, GaSb, InAs, InSb и т. д.) переход из зоны проводимости в валентную зону относится к числу переходов типа зона зона. При этом примесные центры не играют существенной роли и при рекомбинациях происходит выделение фотонов и возникает некогерентное свечение люминесценции. Фотон, испущенный при переходе электрона, может вызвать индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону (рис. 3.6, а). При этом следует отметить, что фотоны с энергией, большей , в основном поглощаются, переведя электроны из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с энергией от  до  поглотиться не могут, так как нижнее состояние (валентная зона) свободно и в нем нет электронов, а верхнее уже заполнено. Следовательно, p-n-переход более прозрачен для фотонов, энергия которых лежит в этом интервале. Излучение возможно только в узком диапазоне частот, соответствующем энергии запрещенной зоны  с шириной спектра, обусловленной . В современных светодиодах широко используются полупроводники, в которых в создании излучения существенную роль играют примесные центры (GaP, GaAs1-xPx и т. д.).

Рис. 3.6. Энергетическая диаграмма, поясняющая механизм действия инжекционного светодиода (а); его яркостная характеристика (б) и эквивалентная схема (в):
 I – зона проводимости; II – запрещенная зона; III – валентная зона

По существу, это "ловушки", энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне. Возможны два механизма излучательной рекомбинации:
1) носитель заряда захватывается своим примесным центром (электрон – акце
пторным, дырка – донорным), а затем он рекомбинирует со свободным носителем заряда противоположного знака; 2) электрон и дырка захватываются примесным центром, так что зона вблизи его оказывается в возбужденном состоянии (образуется связанный экситон), после чего осуществляется рекомбинация и пр. Цвет свечения зависит от материала примесей. Так, например, примесные центры из ZnO обеспечивают получение красного свечения, из азота N – зеленое, из ZnO и N – желтое и оранжевое и т. д.

Яркость свечения светодиода примерно пропорциональна числу зарядов, инжектированных p-n-переходом. При этом для получения приемлемых значений необходимо обеспечить значительную плотность тока, протекающего через переход (не менее 30 А/см2).

При обычно используемых размерах это приводит к необходимости пропускать через переход ток порядка 5 100 мА, что требует значительных затрат электрической мощности на питание инжекционного диода. При малых токах инжекции (1 2 мА) пропорциональность между током и светом нарушается, так как начинают сказываться конкурирующие безизлучательные рекомбинационные процессы.

Так как полупроводник покидает часть фотонов (остальные же сначала отражаются от поверхности, а затем поглощаются в объеме полупроводника), то вводят понятие квантовой эффективности излучения. Внешней квантовой эффективностью излучения, или квантовым выходом, называется отношение числа излученных во внешнее пространство фотонов к числу неосновных зарядов, инжектированных через p-n-переход. Обычно значение квантового выхода составляет 0,1 30 %.

Основная характеристика инжекционного светодиода – люксамперная
(рис. 3.6,
б). Она имеет нелинейный начальный участок, характеризуемый низкими выходными яркостями, и практически линейный участок, в пределах которого яркость изменяется в 10 100 раз. Этот участок чаще всего и используется в качестве рабочего. В общем случае характеристику аппроксимируют степенной функцией

,

где  – яркость свечения;  – коэффициент пропорциональности;  – ток светодиода; = 0,5 0,9 для светодиодов из GaP; = 1 3 для светодиодов из GaAs.

При работе на линейном участке характеристика обычно аппроксимируется выражением

,

где  – чувствительность по яркости (изменение яркости свечения при изменении тока перехода на единицу);  – пороговый ток через диод, при котором возможна линеаризация характеристики . Значения  у диодов разного типа находятся в интервале 0,1 2,5 мА.

Ток светодиода, смещенного в прямом направлении, в первом приближении определяется выражением, аналогичным выражению для обычного диода:

.

Здесь m = 0,5 2 (типовое значение – 1,5).

В большинстве случаев при использовании светодиодов в диапазоне комнатных температур зависимостью тока  от температуры окружающей среды пренебрегают. Величина  имеет разные значения от экземпляра к экземпляру.

Эквивалентная схема светодиода приведена на рис. 3.6, в. Сопротивление  характеризует омическое сопротивление полупроводника и контактов,  – сопротивление p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, а  – его емкость.

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода в области линейного участка характеристики  достаточно мало (при  Ом  Ом), что позволяет линеаризовать эквивалентную схему светодиодов, работающих на указанном участке.

Инжекционные светодиоды в отличие от электролюминесцентных конденсаторов являются токовыми приборами, питать и управлять которыми необходимо с помощью источников тока.

Наиболее типичные конструкции светодиодов приведены на рис. 3.7, а – в, условное обозначение – на рис. 3.7, г.

Частота излучения зависит от материала светодиодов и состава легирующих примесей. В качестве его используют арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. В настоящее время светодиоды различных типов позволяют перекрыть диапазон длин волн излучения от 366 до 950 нанометров и более.

Рис. 3.7. Конструкция светодиодов: а – плоская; б  плоскопланарная; в полусферическая;
г условное графическое обозначение светодиода; 1  выводы; 2 кристалл;
3  полимерная линза

Возможно создание светодиодов, которые в зависимости от их включения или режима работы будут излучать в различных областях спектра и иметь управляемый цвет свечения. При этом используются или зависимость интенсивности отдельных частот излучения от тока p-n-перехода, или смешение излучений двух светодиодов, имеющих свечение разного цвета.

В первом случае изменение цвета происходит из-за того, что в составе излучения p-n-перехода имеется несколько световых полос, яркость которых неодинаково изменяется при изменениях протекающего тока. При их смешивании получается результирующее излучение, цвет которого зависит от значений яркости отдельных полос.

Во втором случае, который получил преимущественное распространение, используются 2-переходные структуры GaP (рис. 3.8, а). Как видно из рисунка, на кристалле фосфида галлия созданы два p-n-перехода. Примеси подобраны так, что один p-n-переход излучает свет красного, а другой зеленого цвета. При их смешивании получается желтый цвет. В структуре имеется три (1, 2, 3) вывода, что позволяет через каждый p-n-переход пропускать свое значение тока (рис. 3.8, б). Изменяя токи переходов удается менять цвет излучения от желто-зеленого до красно-желтого оттенка, а также получать чистые красный и зеленый цвета. Промышленностью выпускается аналогичный светодиод типа ЗЛС331 (АЛС331А), у которого токи переходов могут меняться до 20 мА. Сила света при IПР = 10 мА равна 0,25 мкд, постоянное прямое напряжение 3 В.

Рис. 3.8. Структура светодиода с управляемым цветом свечения (а);
его принципиальная схема
(б)

Основные параметры и характеристики светодиодов

  1.  Сила света  – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении; выражается в канделах (кд) (обычно 0,1 10 мкд).
  2.  Цвет свечения или длина волны излучения.
  3.  Постоянное прямое напряжение падение напряжения при заданном токе
    (2
     4 В).

4. Угол излучения   плоский угол, в пределах которого сила света составляет не менее половины ее максимального значения.

5. Характеристики зависимостей: силы света от тока; спектральной плотности излучения  от длины волны; постоянного прямого тока от постоянного прямого напряжения и др.

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см2). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

В ряде случаев в качестве управляемых источников света применяют
инжекционные лазеры. Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным. Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие.

При когерентном излучении все частицы излучают согласованно (вынужденное стимулированное излучение) и синфазно с колебаниями, установившимися в резонаторе. Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.

Стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер (площадь поперечного сечения 0,5 2 мкм2, протяженность зоны 300 500 мкм), и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем у окружающей ее среды. В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями (полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла). Он выполняет роль резонатора.

При токе инжекции, меньшем порогового значения , наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном светодиоде. При увеличении тока до
IПОР > 50 150 мА и выше возникает стимулированное излучение, наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт/мА, характерной для спонтанного излучения, до 200 мкВт/мА. Благодаря тому, что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удается выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения.

Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20 50°.

Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании световодных линий связи большой протяженности и в измерительных устройствах различного назначения.

Система обозначений светодиодов аналогична обозначениям обычных диодов, только вместо буквы Д используют Л, например АЛ302В.

3.3. Фотоприемники

Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. Так как функциональные возможности электролюминесцентных источников света ограничены, то многообразие возможных характеристик оптронов реализуется за счет фотоприемников.

В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры и т. д.

При подборе фотоизлучателей и фотоприемников необходимо согласовывать их спектральные характеристики. В противном случае вследствие несовершенства существующих источников света достаточно сложно получить удовлетворительные результаты.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида: 1) изменение электропроводности вещества при его освещении  внутренний фотоэффект; 2) возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света  фотоэффект в запирающем слое (используют в полупроводниковых фотоэлементах); 3) испускание веществом электронов под действием света  внешний фотоэффект (используют в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

Фоторезисторы. В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом их является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом. В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Соответственно полупроводник обладает начальной проводимостью , которая носит название темновой:

      ,             (3.1)

где   заряд электрода; ,   концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации.

Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости.

Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину и и проводимость его резко возрастает:

     .                                  (3.2)

Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фотопроводимость:

       .                                  (3.3)

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарастает со временем по экспоненциальному закону:

       ,                                 (3.4)

где   число фотонов, падающих в секунду на единицу площади;   коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником;   квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;   время жизни неравновесных носителей заряда.

Если время облучения достаточно велико (), то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причем когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником), то число неравновесных дырок равно числу неравновесных электронов:

      .                                            (3.5)

При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного знака, имеет место или электронная, или дырочная фотопроводимость, причем в переходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону.

Если выключить облучающий поток света, то изменение концентрации неравновесных носителей заряда при  описывается выражением

                   .                                          (3.6)

Явление постепенного изменения  при включении и выключении облучающего потока называют релаксацией фотопроводимости.

Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электропроводные электроды. Принципиально возможны две конструкции фоторезисторов: поперечная (рис. 3.9, а) и продольная (рис. 3.9, б).

Рис. 3.9. Конструкция фоторезисторов: а поперечная, б продольная,
в
условное графическое обозначение, г ВАХ при различных значениях светового потока ;
д
 энергетические характеристики; е относительные спектральные характеристики

В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором в одной плоскости. Очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен МГц. Продольный фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную электрическую емкость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на частотах уже в сотни тысячи герц.

В качестве исходного материала фоторезистора чаще всего используются сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д. Условное графическое обозначение фоторезистора приведено на рис. 3.9, в.

Основные характеристики и параметры фоторезистора

  1.  Вольт-амперная характеристика  это зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока (рис. 3.9, г). Ток при = 0 называется темновым
    током
     IT, при  > 0  общим током IОБЩ. Разность этих токов равна фототоку:

                                                    (3.7)

  1.  Энергетическая характеристика это зависимость фототока (фоторезистора) от светового потока при (рис. 3.9, д). В области малых  она линейная, а при увеличении  рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителей заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни. Энергетическая характеристика иногда называется
    люкс-амперной. Тогда по оси абсцисс откладывается не световой поток, а освещенность Е в люксах.
  2.  Чувствительность это отношение входной величины к выходной. Для фоторезисторов чаще всего используют токовую чувствительность SI, под которой понимают отношение фототока (или его приращения) к величине, характеризующей излучение (или его приращение). При отношении приращений чувствительность называют дифференциальной.

В зависимости от того, какой величиной характеризуется излучение, различают токовую чувствительность к световому потоку  : S = I/ ; токовую чувствительность к освещенности E: SE = IE/.

При этом в зависимости от спектрального состава излученного света чувствительности могут быть либо интегральными SИНТ (при немонохроматическом излучении), либо монохроматическими S (при монохроматическом излучении).

В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности, которая характеризует интегральную чувствительность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1 В:

                                           (3.8)

У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пределы десятые доли сотни мА/(В ∙ лм) при освещенности
Е = 200 лк.

4.  Абсолютная SАБС () и относительная S() спектральные характеристики это значения чувствительности в полосе частот. Абсолютная спектральная характеристика представляет собой зависимость монохроматической чувствительности, выраженной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого потока излучения.

Относительная спектральная характеристика есть зависимость монохроматической чувствительности от длины волны, отнесенная к значению максимальной чувствительности:

     .                                  (3.9)

Спектральная характеристика определяется материалом фоторезистора и введенными в него примесями. На рис. 3.9, е показаны спектральные характеристики фоторезисторов, выполненных на основе материалов: 1  CdS,
2  CdSe,   CdTe. Вид спектральной характеристики свидетельствует о том, что для фоторезисторов некоторых типов необходимо тщательно подбирать пару излучатель фотоприемник.

5.  Граничная частота fгр это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в  раз по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке ( Гц).

В ряде случаев частотные свойства фоторезистора характеризуются переходной характеристикой. На рис. 3.10, б показаны переходные характеристики фоторезисторов с высокой (кривая 1) и низкой (кривая 2) темновой проводимостями. Хотя истинная переходная характеристика обычно не является строго экспоненциальной, в большинстве случаев инерционность характеризуют постоянной времени .

Рис. 3.10. Входной сигнал (а), переходная (б) и температурная (в)
характеристики фоторез
истора

6. Температурный коэффициент фототока – это коэффициент, показывающий изменение параметров фоторезистора с изменением температуры:

                                         (3.10)

У промышленных фоторезисторов Т  – (10-3  10-4) 1/С. Иногда используют температурную характеристику фоторезистора, показывающую относительное изменение сопротивления при изменении температуры окружающей среды (рис. 3.10, в).

Пороговый поток – это минимальное значение потока Л, которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов. Определяется Л как среднеквадратичное значение синусоидально модулированного светового потока, при воздействии которого среднеквадратичное значение выходного электрического сигнала равно среднеквадратичному значению шумов фоторезистора.

Фотодиоды. Фотодиоды имеют структуру обычного p-n-перехода
(рис. 3.11,
а). Пусть p-n-переход находится в равновесии, т. е. в исходном состоянии к нему не приложена внешняя разность потенциалов. Вследствие оптического возбуждения в p- и n-областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Так как в области объемного заряда концентрация носителей меньше, чем в p- и n-областях, то под влиянием градиента концентрации электронно-дырочные пары диффундируют к p-n-переходу. На границе перехода они разделяются, и неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, значение которого однозначно связано с контактной разностью потенциалов, перебрасываются через переход в область, где становятся основными носителями заряда. Электрический ток, созданный ими, есть полный фототок. Дырки тормозятся электрическим полем и остаются в p-области.

Рис. 3.11. Структура фотодиода (а); включение фотодиода совместно с внешним
источником напряжения
(б); его вольт-амперные характеристики
при
Ф3 > Ф2 > Ф1 (в); условное графическое обозначение (г)

Таким образом, в результате освещения полупроводника по обе стороны от p-n-перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. При этом электронно-дырочные пары, генерируемые на расстоянии от перехода, большем диффузионной длины, успевают рекомбинировать, не достигнув перехода. Поэтому они не вносят вклада в фототок.

Если p-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в p-области зарядов. Объемный заряд этих основных носителей заряда частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину p-n-перехода и снижая потенциальный барьер, что приводит к нарушению условия равновесия и возникновению диффузионного движения через переход основных носителей заряда. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (UKE), при которой поток неосновных носителей заряда через переход, вызванный световым облучением, полностью уравновешен встречным диффузионным потоком основных носителей заряда.

ЭДС, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер в p-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой или фото-ЭДС. Она зависит от светового потока, облучающего p-n-переход, и ряда других факторов, но ее максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов.

Фото-ЭДС может быть использована для создания тока в нагрузочном сопротивлении, включенном во внешнюю цепь прибора. При этом фотодиод работает в режиме фотогенератора без постороннего источника напряжения, непосредственно преобразуя световую энергию в электрическую.

Фотодиод может работать и совместно с внешним источником электрической энергии UВШ, положительный полюс которого подключается к n-слою, а отрицательный – к p-слою (рис. 3.11, б). Под действием напряжения источника в цепи фотодиода, включенного в непроводящем направлении, при отсутствии освещения протекает небольшой темновой ток IT. В этом случае фотодиод ничем не отличается от обычного диода. При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через p-n-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый в этом случае напряжением внешнего источника и световым потоком.

Значение фототока в первом приближении можно найти из выражения

                                                     (3.11)

где SИНТ – интегральная чувствительность.

Вольт-амперные характеристики освещенного p-n-перехода показаны на
рис. 3.11,
е. Как следует из принципа его работы, фототок суммируется с обратным током теплового происхождения. В соответствии с этим уравнение тока p-n-перехода фотодиода, известное из теории работы полупроводниковых приборов, имеет вид

                                          (3.12)

где I0 – тепловой ток p-n-перехода.

Если фотодиод замкнут на резистор R (при UШ = 0) (рис. 3.11, в), то напряжение на p-n-переходе UВЫХ = IR. Тогда ток в цепи p-n-перехода

                                          (3.13)

Решив (3.13) относительно , получим

                                          (3.14)

Уравнение (3.14) аналитически описывает вольт-амперную характеристику фотодиода.

При коротком замыкании фотодиода (U = 0) ток в цепи диода IОБЩ_К  равен фототоку:

                                             (3.15)

В режиме холостого хода ток в цепи отсутствует (I = 0) и напряжение на зажимах фотодиода UX, согласно (3.14), растет по логарифмическому закону при увеличении светового потока:

                                     (3.16)

При интенсивном облучении, когда 1 << SИНТ   /I0, фото-ЭДС определяют из выражения

                                                      (3.17)

Материалами для изготовления фотодиодов служат германий, кремний, селен, сернистый таллий и сернистое серебро.

Основные характеристики и параметры фотодиодов

1. Энергетические характеристики фотодиода связывают фототок со световым потоком, падающим на фотодиод. Зависимость фототока от светового потока при работе фотодиода в генераторном режиме  является строго линейной только при короткозамкнутом фотодиоде . С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все больше искривляются и при больших  имеют ярко выраженную область насыщения (рис. 3.12, а). При работе фотодиода в схеме с внешним источником напряжения  энергетические характеристики значительно ближе к линейным. При увеличении приложенного напряжения фототок несколько возрастает (рис. 3.12, б). Это объясняется расширением области p-n-перехода и уменьшением ширины базы, в результате чего меньшая часть носителей заряда рекомбинирует в базе при движении к p-n-переходу.

2. Абсолютные и относительные спектральные характеристики фотодиода аналогичны соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала фотодиода и введенных примесей (рис. 3.12, в).

Спектральные характеристики практически захватывают всю видимую
(300
750 нм) и инфракрасную области спектра.

3. Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой излучения (рис. 3.12, г). Иногда инерционные свойства фотодиода характеризуют граничной частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в  раз по сравнению со своим статическим значением.

Граничная частота быстродействующих кремниевых фотодиодов порядка 107 Гц.

Для повышения быстродействия и увеличения чувствительности в последние годы разработан ряд фотодиодов: со встроенным электрическим полем; на основе p-i-n-структур; с барьерами Шотки; лавинные фотодиоды и т. д.

В фотодиодах с встроенным электрическим полем базу получают с помощью процесса диффузии. Из-за неравномерного распределения концентрации примесей в ней возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу. Вследствие наложения диффузионного и дрейфового движений  фотодиода несколько возрастает.

Рис. 3.12. Энергетические характеристики фотодиода в генераторном режиме (а)
и при работе с внешним источником
 (б);
относительные спектральные (в) и частотные (г) характер
истики

Фотодиоды, выполненные на основе p-i-n-структур, имеют значительно большую толщину области, обедненной основными носителями заряда, так как между p- и n-областями имеется i-область с собственной электропроводностью. К переходу (без риска пробить его) можно приложить значительные напряжения. В результате возникает ситуация, когда световое излучение поглощается непосредственно в области, обедненной основными носителями заряда, в которой создано электрическое поле высокой напряженности. Электроны и дырки, возникающие в области перехода при световом облучении, мгновенно перекидываются в соответствующие области. В результате быстродействие резко возрастает и fГР достигает значений 109  1010 Гц.

Аналогичными по быстродействию являются фотодиоды на основе барьера Шотки. Они выполняются из кремния, на поверхность которого нанесено прозрачное металлическое покрытие из пленок золота (h  0,01 мкм) и сернистого цинка (h  0,05 мкм), создающее барьер Шотки. Благодаря минимальному сопротивлению базы и отсутствию процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов, быстродействие получается достаточно высоким (fГР  1010 Гц).

В лавинных фотодиодах используется лавинный пробой p-n-перехода или барьера Шотки. От обычных фотодиодов они отличаются тем, что возникшие в результате светового облучения носители заряда лавинно размножаются в области p-n-перехода вследствие ударной ионизации. Выбором внешнего напряжения и параметров цепи обеспечивается возникновение лавинного пробоя только при световом облучении. Этот процесс приводит к тому, что ток в цепи IОБЩ_Л увеличивается по сравнению с током IОБЩ, обусловленным световой генерацией и тепловым током перехода, в М = IОБЩ_Л /IОБЩ раз (М – коэффициент лавинного умножения носителей).

Коэффициент лавинного умножения описывается зависимостью

                                                (3.18)

где  – напряжение на переходе; b – коэффициент, зависящий от материала (b = 3,4 4 для Si n-типа, b = 1,5 2 для Si p-типа); UПРОБ_Л – напряжение лавинного пробоя перехода, при котором М  ; R – объемное сопротивление p- и n-областей фотодиода.

Коэффициент лавинного умножения М может достигать нескольких десятков – десятков тысяч единиц.

Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода показаны на
рис. 3.13.

Рис. 3.13. Вольт-амперные характеристики лавинного фотодиода
при
ф3 > ф2 > ф1

Использование лавинного режима позволяет существенно увеличить чувствительность фотодиодов и повысить их быстродействие до fГР = 1011  1012 Гц. Лавинные фотодиоды считаются одними из наиболее перспективных элементов оптоэлектроники.

Фототранзисторы. В качестве фотоприемников применяются транзисторные структуры. Простейший фототранзистор (рис. 3.14, а) имеет два
p-n-перехода: эмиттерный и коллекторный. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но соответствующие токи оказываются усиленными, поэтому масштаб по оси токов увеличен в соответствующее число раз (рис. 3.14, б).

Рис. 3.14. Обозначение фототранзистора (а); вольт-амперные (выходные)
характеристики
(б); схемы включения с подключенной базой (в) и со свободной базой (г)

Напряжения питания на фототранзистор подают так же, как и на обычный биполярный транзистор, т. е. эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рис. 3.14, в).

Часто применяют включение, когда напряжение прикладывается только между коллектором и эмиттером, а вывод базы остается оторванным (рис. 3.14, г). Такое включение называется включением с плавающей базой и характерно только для фототранзисторов. При включении с плавающей базой фототранзистор всегда находится в активном режиме, однако при = 0 протекающий через него ток невелик.

Этот темновой ток коллектора транзистора обозначают .

Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. В результате собственного поглощения энергии в ней генерируются электронно-дырочные пары. Неосновные носители заряда в базе (дырки) диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются электрическим полем перехода в коллектор, увеличивая ток последнего. Этот процесс аналогичен процессу в фотодиоде. Если база разомкнута, то основные носители заряда (электроны), образовавшиеся в результате облучения, не могут покинуть базу и накапливаются в ней. Объемный заряд этих электронов снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, в результате чего увеличивается диффузионное движение дырок через эмиттерный переход. Инжектированные дырки, попав в базу, движутся, как и в обычном транзисторе, к коллекторному переходу и, входя в область коллектора, увеличивают его ток. Таким образом, носители заряда, генерируемые в результате облучения светом, непосредственно участвуют в создании фототока.

Такие же процессы наблюдаются и при подаче тока от внешнего источника в цепь базы. В этом случае темновой ток при Ф = 0 определяется током базы,
т. е. появляется дополнительная возможность управлять током фототранзист
ора. Выбором соответствующего темнового тока удается обеспечить оптимальный режим усиления слабых световых сигналов, а также суммирование их с электрическими сигналами.

Уравнение фототранзистора получим, используя уравнение биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ (1.1, б). Очевидно, что если ток эмиттера задан и через коллекторный переход протекает обратный (темновой) ток , то фототок  увеличивает обратный ток. В этом случае уравнение токов фототранзисторов имеет вид

                                   (3.19)

В схеме с ОЭ, по которой обычно включают фототранзистор, задается ток базы . Тогда уравнение для схемы с общим эмиттером запишется в виде

                    (3.20)

Преобразуя его, получим

                       (3.21)

или, учитывая что ; ; , перепишем (3.21):

                    (3.22)

Так как  достигает нескольких десятков – сотен единиц, то фототок фотодиода  увеличивается в соответствующее число раз. При включении со свободной базой  уравнение (5.22) примет вид

                                 (3.23)

Основные характеристики и параметры фототранзисторов

1. Вольт-амперные характеристики напоминают выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ (рис. 3.14, б), только параметром служит не ток базы IБ, а световой поток  или фототок  (при IБ = const).

2. Энергетические характеристики и спектральные характеристики подобны характеристикам фотодиода.

3. Токовая чувствительность это отношение изменения электрического тока на выходе фототранзистора к изменению "входного" светового потока при холостом ходе на входе и коротком замыкании на выходе:

 

4. Коэффициент усиления по фототоку: . В промышленных фототранзисторах он достигает значения (1 6) 102 и может быть найден как отношение фототока коллектора фототранзистора со свободной базой к фототоку коллекторного p-n-перехода, измеренному в диодном режиме (при отключенном эмиттере) при том же значении светового потока.

5. Ширина полосы пропускания у биполярных фототранзисторов достигает
10
4  105 Гц.

Кроме фототранзисторов p-n-p- и n-p-n-типов в качестве высокочувствительных фотоприемников можно использовать полевые фототранзисторы. Они имеют высокую фоточувствительность (до нескольких ампер на люмен), широкую полосу пропускания (106  108 Гц), значительную мощность рассеяния. По своим выходным характеристикам они ближе к фоторезисторам, чем к биполярным транзисторам. Полевой фототранзистор выполняется с управляющим
p-n-переходом и, так же как обычный полевой транзистор, имеет три электрода: исток, сток и затвор (рис. 3.15, а). Объем полупроводника между стоком и истоком образует проводящий канал. Затвор отделен от канала p-n-переходом, область объемного заряда которого модулируется потенциалом затвор исток. Переход затвор канал можно рассматривать как фотодиод, фототок которого вызывает падение напряжения на резисторе RЗ, включенном в цепь затвора (рис. 3.15, б). При Е3 = const это приводит к модуляции потенциала затвора

                                                 (3.24)

и соответствующим изменениям сопротивления канала.

Рис. 3.15. Структура полевого фототранзистора (а); его включение в цепь (б)
и энергетические характеристики (в)

Энергетические характеристики полевого фоторезистора показаны
на рис.
3.15, в. При малом световом потоке < min и E3 = E31 = const транзистор практически заперт и ток стока близок к нулю. При > min в цепи стока протекает ток, значение которого зависит от светового потока. До = max энергетическая характеристика близка к линейной. При большом световом потоке >> max влияние напряжения затвора на  становится малым и его изменения почти не влияют на ток стока, который близок к максимальному значению.

Инерционность полевого фототранзистора определяется инерционностью фотодиода в области затвора и временем пролета носителей заряда через канал и оценивается значениями 10-6  10-9 с. Граничная частота полевых фототранзисторов находится в пределах 107  108 Гц.

Фототиристоры. Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Они представляют собой фотоэлектрические аналоги управляемого тиристора. Одна из возможных конструкций фототиристора и схема его включения показаны на рис. 3.16, а, б.

Рис. 3.16. Эпитаксиально-планарная конструкция фототиристора (а); схема подключения к нему напряжения (б); его вольт-амперная характеристика (в) и условное графическое
обозначение (г);
1 – катод; 2 – анод

Фототиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру, у которой переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а коллекторный переход П2  в обратном. Свет обычно попадает на обе базы тиристора слои р2 и n1. При этом с ростом освещенности возрастают эмиттерные токи, что приводит к увеличению коэффициентов . Другими словами, основное отличие фототиристоров от обычных тиристоров заключается в том, что в фототиристорах коэффициенты передачи тока , хотя и косвенно, являются функцией освещенности. Вольт-амперная характеристика типового фототиристора имеет вид, показанный на рис. 5.16, в.

Сопротивление фототиристора изменяется от 108 Ом (в закрытом) до
10
-1 Ом в открытом состоянии. Время переключения фототиристоров лежит в пределах 10-5  10-6 с.

Таким образом, фототиристоры позволяют с помощью светового луча управлять значительными мощностями.

Многоэлементные фотоприемники. Многоэлементные фотоприемники предназначены для преобразования распределенного по поверхности оптического сигнала (изображения) в электрические сигналы. Их выполняют: в виде линейки фотоприемников (строчных), в которой фоточувствительные элементы расположены на одной линии с малыми и, как правило, равными расстояниями между элементами; в виде светочувствительных матриц, в которых фоточувствительные элементы расположены в местах "пересечения" ортогональных токопроводящих электропроводных полосок, расстояние между которыми чрезвычайно мало. Так как светочувствительные линейки являются частным и простейшим случаем матричных фотоприемников, будем рассматривать только вторую группу преобразователей изображения.

Укрупненно матричные фотоприемники состоят из двух групп взаимно перпендикулярных электродов, фоточувствительных элементов, расположенных в местах пересечения электродов и электрически соединенных с ними, а также электронных схем управления. В состав схем управления входят электронные ключи и генераторы разверток, обеспечивающие последовательный опрос всех фоточувствительных элементов (рис. 3.17). Схемы управления выполнены так, что в каждый момент времени к цепям получения сигнала подключен лишь один элемент матрицы. При поочередном подведении электрических импульсов к горизонтальной и вертикальной шинам опрашиваются все фоточувствительные элементы. В итоге получают полную информацию о распределении светового потока по поверхности светочувствительной матрицы. Ввиду большого количества фоточувствительных элементов, электронных ключей и соединяющих их цепей выполнение матричных фотоприемников целесообразно только при использовании интегральной технологии.

Рис. 3.17. Упрощенная структура матричного фотоприемника: 1 – оператор
вертикальной развертки;
2,4 цепи получения сигнала; 3фоточувствительные элементы;
5генератор горизонтальной развертки

В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фотослои, выполняющие функции: фоторезисторов; фотодиодов; фототранзисторов; полевых фототранзисторов; фотоприборов с зарядовой связью (ПЗС). Поясним только принцип действия фотодиодного матричного фотоприемника на примере рис. 3.18. На нем показаны две вертикальные шины, подключаемые ключами Кл2, Кл3, и одна горизонтальная, подключаемая ключом Кл1. Каждая вертикальная шина соединена с горизонтальной с помощью фотодиода, у которого имеется барьерная емкость C, обозначенная пунктиром. При замыкании ключей Кл1 и Кл2 барьерная емкость фотодиода заряжается до напряжения источника питания Е. Длительность и частота включения ключей зависят от количества элементов в матрице и частот генераторов горизонтальной и вертикальной разверток. В моменты, когда фотодиод отключен от цепи вследствие того, что разомкнут ключ вертикальной или горизонтальной шин или оба вместе, емкость разряжается через фотодиод, причем ток разрядки зависит от освещенности последнего.

Рис. 3.18. Упрощенная схема подключения фоточувствительных элементов
в матричном фотоприемнике

За фиксированные промежутки времени между моментами подключения фотодиодов к шинам заряды на емкостях различны и определяются освещенностью соответствующих фотодиодов. При очередном подключении фотодиода к шинам ток зарядки емкости зависит от значения остаточного заряда на ней. Чем ярче освещен фотодиод, тем сильнее разрядится емкость, будет меньше ее напряжение и больше ток заряда.

Падение напряжения на резисторах R определяется током зарядки емкостей, т.е. освещенностью соответствующих фотодиодов. Включая поочередно ключи Кл2, Кл3 при замкнутом ключе Кл1, получают электрические сигналы, пропорциональные освещенности фотодиодов данной строки. Включив ключ следующей строки, разомкнув ключ Кл1 и повторив включение ключей Кл2, Кл3, получим электрические сигналы, характеризующие освещенность фотодиодов следующей строки, и т.д.

Таким образом, яркостный рельеф светового изображения преобразуется в сдвинутые во времени электрические сигналы, значения которых пропорциональны освещенности соответствующего фоточувствительного элемента.

Очевидно, что аналогичные результаты будут получены в том случае, если с низкой частотой включать ключи вертикальных, а с большой горизонтальных шин.

Генераторы вертикальной и горизонтальной разверток должны иметь существенно различные частоты, при которых обеспечивается уверенный опрос всех фоточувствительных элементов. Частоту выборки информации обычно берут порядка 10 20 Гц, а частоту считывания строк 10 15 кГц. Время "прочтения" одной "страницы" составляет десятые доли несколько секунд. Шаг между центрами фоточувствительных элементов может достигать 5 15 мкм.

Многоэлементные фотоприемники применяют при создании технического зрения, систем автоматического контроля размеров, при определении положения в пространстве и качества обработки и пр.

Существуют и другие типы фотоприемников, используемых в оптоэлектронике. Однако принцип работы большинства из них такой же, так как в основе их работы лежит или изменение электропроводности материала при его освещении, или фотоэффект в p-n-переходах.

Фотоприемники с внешним фотоэффектом. В оптоэлектронике они широко не применяются, за исключением случаев, когда требуется получить максимальные быстродействие и чувствительность. Для решения этих задач, как правило, применяют фотоумножители. Они представляют собой вакуумный прибор, в котором имеются фотокатод, анод и группа электродов, называемых анодами вторичной эмиссии, которые расположены последовательно.

Аноды вторичной эмиссии характеризуются тем, что один упавший на них электрон выбивает несколько (4 10) вторичных электронов.

При освещении фотокатода 1 (рис. 3.19, а) из него выбиваются электроны (внешний фотоэффект). Они с ускорением летят к первому аноду вторичной эмиссии, на котором относительно катода имеется положительный потенциал. Ударяясь в него, электроны выбивают несколько вторичных электронов, которые летят ко второму аноду вторичной эмиссии, имеющему более высокий положительный потенциал. Падая на него, каждый электрон выбивает несколько вторичных электронов (рис. 3.19, б). Так как каждый последующий анод вторичной эмиссии имеет более высокий потенциал, чем предыдущий, количество электронов, летящих к аноду, непрерывно увеличивается и ток анода становится во много раз больше тока катода. Коэффициент такого своеобразного усиления может достигать 104  108. Напряжение питания фотоумножителей берется большим: Е 1400 1700 В. Требуемое электрическое поле обеспечивается с помощью резистивного делителя напряжения (рис. 3.19, а). Темновой ток 510-9 А. Число анодов вторичной эмиссии 10 12. Чувствительность катода
25
100 мкА/лм, а чувствительность анода 10 2000 А/лм.

Рис. 3.19. Включение фотоумножителя с пятью анодами вторичной эмиссии (а),
расположение электродов в фотоумножителе
(б): 1 фотокатод;
2 аноды вторичной эмиссии; 3 анод


3.4. Световоды и простейшие оптроны

Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Для того чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоизлучателя и проводящей среды (световода), последняя должна обладать большим коэффициентом преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для GaAs n = 3,6. Среды с большим коэффициентом преломления называются иммерсионными. Иммерсионное вещество должно иметь высокий коэффициент преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, хорошо согласовываться по коэффициентам расширения с материалами фотопреобразователей и т. п.

Перспективными считаются свинцовые с n = 1,7 1,9 и селеновые стекла с
n = 2,4 2,6.

На рис. 3.20, а показан один из простейших оптронов с иммерсионным световодом. В состав его входят инжекционный светодиод 2, световод из селенового стекла 3 и фотодиодный фотоприемник 5.

В оптоэлектронике применяется также волоконная оптика, которая во многих случаях имеет и самостоятельное значение. Работа элементов волоконной оптики основана на том, что свет передается по отдельному тонкому волокну, не выходя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения. Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Рис. 3.20. Конструкция простейшего оптрона (а); распространение света по светодиоду (б, в): 1 – омические контакты; 2 – источник света; 3 – световод из селенового стекла;
4 – контакт со слоем; 5 – фотоприемник

Световод волоконной оптики не зависит от его формы, состоит из сердечника 1 и отражающего покрытия 2 (рис. 3.20, б, в). Коэффициент преломления покрытия nП  меньше коэффициента преломления сердечника nС . В таком волокне малого диаметра свет проходит, не выходя за поверхность волокна, если угол изгиба меньше 90° и угол, под которым свет попадает в световод, меньше Θ1 max.

Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение, определяют из уравнения

Коэффициент А0 называется числовой апертурой световода. Волокно можно рассматривать как диэлектрический световод. Распространяясь вдоль волокна, световой луч претерпевает многократные отражения. В результате эффективность светопередачи зависит от качества изготовления волокон, объемных неоднородностей и неровностей поверхностей волокон, а также от коэффициента поглощения материала.

Лучи, падающие на торец под углом φ > Θ1 max (внеапертурные лучи), при взаимодействии с покрытием частично отражаются, а частично уходят из световода. После многих встреч с границей светопроводящая жила покрытие они полностью рассеиваются.

Следует отметить, что каждое волокно передает информацию только о значении суммарного светового потока, попавшего на его входной торец, так как в результате многократных отражений на выходном торце будет равномерная освещенность, пропорциональная общей интенсивности света, падающей на входной торец. Световоды вносят некоторое запаздывание в передачу сигнала, которое мало и на длине 1м составляет 10-9 10-10 с.

Лучи распространяются вдоль волокна и в том случае, если уменьшение показателя преломления происходит не ступенчато, а плавно от центра к краю (обычно по параболическому закону). В таких волокнах из-за наблюдающейся рефракции волн (преломления) лучи самофиксируются вдоль оси, так как любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза. Подобные световоды называются градиентными, или селфоками.

Показатели преломления света зависят от длины волны, что обусловлено различием скоростей распространения волн различных типов (мод). Поэтому если на торец световода воздействовать световым импульсом немонохроматического излучения, то на выходе будет наблюдаться "размытие" сигнала и увеличение его длительности. Значения этих параметров определяются шириной спектра светового излучения и параметрами волокна. Поэтому иногда различают одномодовые и многомодовые световоды.

Одномодовые волокна предназначены для передачи волн одной частоты (монохроматических) и дают большие искажения сигнала в многомодовом режиме. Диаметр их обычно несколько мкм десятки мкм.

Многомодовые волокна позволяют без существенных искажений передавать немонохроматические световые сигналы. При этом увеличение их длительности и "размытие" сравнительно невелики, особенно в селфоках, и могут достигать 10-9 10-10 с/км. Диаметр волокон, предназначенных для передачи многомодовых сигналов, обычно больше, чем у одномодовых.

В зависимости от состава стекла удельное электрическое сопротивление световода можно изменять от 1014 до 10 Омсм. Это позволяет применять световод для передачи электрического сигнала. В ряде случаев поверхность волокна дополнительно металлизируют.

Материалами для волоконных световодов, в том числе и для покрытия, служат различные стекла: органические и неорганические. Длина световода может быть любой и ограничена лишь ослаблением в нем светового потока, оцениваемого затуханием светового сигнала В, которое обычно имеет размерность дБ/км:

где l  длина световода, км; РВХ, РВЫХ мощности входного и выходного сигналов соответственно.

Иногда прохождение света оценивают с помощью светопропускания b, выражаемого в %/м. В высококачественных волокнах затухание составляет
0,5
4 дБ/км (  0,82 мкм и = 1,06 мкм). Светопропускание в не очень прозрачных волокнах 10 30 %/м.

Для интегральных оптоэлектронных микросхем считаются перспективными пленочные световоды. Они выполняются на стеклянной подложке в виде пленочных полосок стекла толщиной 0,5 мкм и шириной 1 3 мкм, имеющих повышенный коэффициент преломления. Больший, чем в подложке, коэффициент преломления позволяет удерживать световой луч в пределах световода благодаря полному внутреннему отражению на границах подложки. Подобный световод можно легко изготовить с помощью метода фотолитографии. В стеклянной подложке вытравливают канавку требуемой конфигурации, в которую методом напыления или эпитаксиального наращивания наносят стеклянную пленку с необходимыми свойствами. После этого сверху наносят основной материал подложки.

Изготовляют пленочные световоды также методом ионного обмена. Сущность его сводится к тому, что участки плавленого кварца облучают ионами высокой энергии. Вследствие захвата ионов, а также структурных смещений и химических взаимодействий в соответствующих областях исходного материала создаются зоны с более высоким показателем преломления.

В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь. В некоторых случаях к оптической связи добавляется электрическая. Тогда говорят об электрооптической связи между источником излучения и фотоприемниками.

В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения широко применяются инжекционные светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие оптронов.

Обозначение диодного оптрона и его возможная структура показаны
на рис. 3.21,
а, б. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником – кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 106  107 Гц. Сопротивление в закрытом состоянии (темновое) RT =108 ÷ 1010 Ом, в открытом порядка сотен ом нескольких килоом. Сопротивление между входной и выходной цепя-
ми 10
13  1015 Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником, то для минимизации потерь за счет внутреннего отражения на границе сред с разными коэффициентами преломления (n = 1 для воздуха;
n = 3,6 для GaAs) источник света делают сферической формы.

Рис. 3.21. Простейшие оптроны: диодный (а) и его структура (б); транзисторный (в);
тиристорный (г); с двухэмиттерным фототранзистором
(д); резисторный (е)

Транзисторные оптроны (рис. 3.21, в), благодаря большей чувствительности фотоприемника, экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 105 Гц. Так же, как и диодные, транзисторные оптроны имеют малое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом, обеспечивая полную гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними выводами
(рис. 3.21,
д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. От обычного
копенсированного ключа на биполярных транзисторах (транзисторного прерывателя) он отличается только способом управления и имеет симметричную выходную вольт-амперную характеристику (рис. 3.22,
а).

Рис. 3.22. Выходная характеристика двухэмиттерного транзисторного опторона (а);
диодный оптрон с усилителем
(б) и его структура (в): 1 – фотодиод;
2 оптически прозрачный экран; 3  светодиод; 4 световод; 5 транзисторы n-p-n-типа

Во включенном состоянии остаточное напряжение на фототранзисторе (напряжение между выводами выходной цепи при IВЫХ = 0) достаточно мало и составляет сотни мкВ несколько десятков милливольт при динамическом сопротивлении в несколько десятков Ом. В выключенном состоянии сопротивление фототранзистора велико более 106  108 Ом. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании транзисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах.

Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (см. рис. 3.21, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. При этом время включения менее 10-5 с, а входной ток включения не превышает 10 мА. Такие оптроны позволяют непосредственно управлять силовыми устройствами различного назначения.

Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны в основном используют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высокоэффективных ключей различного функционального назначения. Аналоговые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (см. рис. 3.21, е) и применяют для различного рода бесконтактных регулировок в цепях автоматического управления. В цепях точного преобразования сигналов их использование ограничено из-за невысокой временной стабильности и зависимости характеристик преобразования от температуры. В качестве излучателей используют или светодиоды (часто на основе фосфида галлия GaP), или электролюминесцентные конденсаторы. Роль фотоприемников выполняют обычно пленочные фоторезисторы.

Темновое сопротивление резисторных оптронов может достигать
10
7  109 Ом. При освещении сопротивление снижается до нескольких сотен ом нескольких килоом. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер повышения быстродействия ограничена несколькими килогерцами.

Резисторные оптроны успешно используют и в ключевом режиме. При этом по сравнению с оптронами других типов они имеют более широкий динамический диапазон входных сигналов и меньшие значения темновых токов. Однако по быстродействию они существенно уступают диодным оптронам.

Устойчивой тенденцией в создании оптоэлектронных устройств является выполнение оптронов и электронных преобразователей на одной подложке
(рис. 3.22,
б, в). Это позволяет уменьшить размеры преобразователей, снизить их стоимость, повысить надежность и улучшить характеристики преобразования. Роль фотодиода 1 в оптоэлектронном импульсном усилителе играют подложка р- и n-область, полученная диффузионным путем в одном технологическом цикле с коллекторами транзисторов n-p-n-электронного усилителя 5. Светодиод 3 выполнен плоским и связан с фотоприемником световодом из селенового стекла 4. Для устранения электрической емкости между излучателем и фотоприемником введен оптически прозрачный слой р- 2, изготовленный диффузионным путем и электрически соединенный с подложкой. Он выполняет роль электростатического экрана и снижает емкость до 4 5 пФ. Весь усилитель представляет собой твердотельный блок, вход и выход которого гальванически развязаны между собой.

3.5. Общие сведения о компонентах устройств отображения информации

Устройства отображения информации применяются в системах, где информацию требуется представить в форме, удобной для визуального восприятия. Их основными компонентами являются приборы, обеспечивающие преобразование электрических сигналов в пространственное распределение яркости излучения или в распределение степени пропускания или поглощения светового излучения. С помощью этих приборов из электрических сигналов получают видимое изображение букв различных алфавитов, цифр, геометрических фигур, в том числе и объемных, различных знаков, сплошных или дискретных полос, длина которых однозначно зависит от значения входного сигнала, мнемосхем и пр.

Преобразовательные приборы данной группы создаются на основе активных излучающих компонентов: электронно-лучевых трубок; электролюминесцентных, газонаполненных или накаливаемых источников излучения, в которых излучающие элементы выполнены в виде фигур или сегментов или образуют управляемое матричное поле, а также пассивных компонентов, модулирующих световой поток: жидкокристаллических, в которых пропускание или отражение света различными участками поверхности зависит от значения электрического поля; электрохромных, в которых цвет вещества зависит от значения электрического поля; электрофоретических, в которых под действием электрического поля перемещаются заряженные пигментные частицы, имеющие определенный цвет.

Наиболее часто применяют так называемые знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ), в которых изображения получают с помощью мозаики из независимо управляемых преобразователей электрический сигнал свет, и электроннолучевые трубки, на экране которых при соответствующем формировании управляющих сигналов можно получить любые знаки и графические объемные изображения.

Устройства отображения информации, устанавливающиеся на выходе информационных систем, например ЭВМ, и обеспечивающие визуальное отображение информации и связь человека с машиной, называют дисплеями.

В качестве дисплеев наиболее часто используют электронно-лучевые
трубки (ЭЛТ), но в ряде случаев применяют и знакосинтезирующие индикат
оры.

По виду отображаемой информации ЗСИ делятся:
       – на
единичные – для отображения информации в виде простой геометрической фигуры (точки, запятой, круга, квадрата и др.);

цифровые – для отображения информации в виде цифр;

алфавитно-цифровые – для отображения информации в виде букв и цифр, включая и специальные математические символы;

шкальные – для отображения в дискретной или аналоговой форме информации в виде уровней или значений величин;

мнемонические – для отображения информации в виде мнемосхемы или их частей;

графические – для отображения сложной информации в виде графиков, специальных знаков, символов, букв и цифр.

По виду элементов, обеспечивающих отображение информации, и способам формирования информационного поля ЗСИ делят на сегментные, элементы отображения в которых выполнены в форме сегментов, и матричные, в которых элементы отображения имеют форму квадратов, кругов, прямоугольников, сгруппированных и управляемых по строкам и столбцам.

По виду питающего напряжения ЗСИ подразделяют на ЗСИ постоянного тока, переменного и импульсного токов. Ряд ЗСИ функционирует при подаче тока (напряжения) любой формы. В зависимости от значения питающего напряжения различают: низковольтные (U < 5 В); средневольтные (постоянное или переменное напряжения питания U < 30 В, импульсное U < 70 В); высоковольтные (переменное или постоянное U > 30 В, импульсное U > 70 В).

К числу основных параметров ЗСИ, определяющих качество отображения и восприятия информации, относят: яркость; равномерность яркости на протяженной светоизлучающей поверхности или на разных излучающих элементах; яркостный контраст; спектр излучения или его количественные характеристики, помехоустойчивость.

3.5.1. Жидкокристаллические приборы для отображения информации

Жидкокристаллические индикаторы относятся к числу пассивных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты поглощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотропию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля.

Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.

В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Рис. 3.23. Ориентация молекул в смектических (а), нематических (б),
холестерических (в) ЖК

Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к числу диэлектриков и имеют удельное сопротивление 106  1010 Ом см.

Различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.

В смектических ЖК молекулы расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом (рис. 3.23, а). Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично (рис. 3.23, б). В них наблюдается скольжение вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Однако с помощью внешних сил (электрического или магнитного поля) можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол (рис. 3.23, в). Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Из большого количества электрооптических явлений, характерных для ЖК, в устройствах отображения информации в основном применяют эффект динамического рассеивания, твист-эффект, эффект гость – хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии. Диэлектрическая анизотропия а характеризует разницу диэлектрических постоянных ||, и в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При а > 0 оси располагаются параллельно, а при а < 0 – перпендикулярно электрическому полю.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при наложении электрического напряжения ЖК в элементарной индикаторной ячейке становится матовым (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля к слою ЖК с а < 0, слабо проводящему электрический ток, молекулы ориентируются поперек поля. Движущиеся ионы, благодаря которым протекает электрический ток проводимости, стремятся нарушить эту ориентацию. При некотором значении тока проводимости, характеризуемом напряжением электрогидродинамической неустойчивости, возникает состояние турбулентного движения, при котором упорядоченность структуры нарушается и ЖК мутнеет. Напряжение электрогидродинамической неустойчивости не более 5 6 В, пока молекулы успевают следовать за значением электрического поля (до десятков килогерц), и увеличивается до 150 200 В на частотах, где молекулы не успевают следовать за электрическим полем и совершают только колебательные движения. Время "включения" при этом эффекте 50 500 мс и 150 180 мс "расходуется" на выключение.

Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической анизотропией. Сущность его заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинами, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы "скручены" в спираль, аналогичную холестерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны (рис. 3.23, а). Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный /2. При приложении электрического напряжения все молекулы ориентируются вдоль поля (материал с положительной диэлектрической анизотропией) и эффект скручивания пропадает (рис. 3.24, б). Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, плоскости поляризации которых параллельны, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии – нет. При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны вышерассмотренному. Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока. Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых напряжениях (0,9 1,5 В). Длительность переходного процесса включения – выключения 30 200 мс.

Эффект гость хозяин наблюдается в ЖК, в которых растворен дихроичный краситель, избирательно поглощающий свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошая контрастность получается и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30 500 мс, управляющее напряжение 2 10 В. Приборы, выполненные с использованием этого эффекта, в зависимости от использованного красителя могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.

Типовая элементарная ячейка ЖК прибора для отображения информации состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, между которыми помещены ЖК. С внутренней стороны пластин расположены электроды. Их количество и расположение берутся такими, чтобы можно было реализовать требуемое изображение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рис. 3.25, а). При работе на отражение задний электрод выполняют непрозрачным (рис. 3.25, б). Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка. Для этого в ЖК-индикаторах, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у индикаторов, работающих на отражение, источник света размещают спереди или сбоку. Индикаторы имеют форму тонкой пластины, к краям которой подведены выводы электродов. Электроды выполняют в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок. Для подключения к схеме используют специальные панели, имеющие эластичные выступы, сделанные из электропроводящей резины. Контактирование обеспечивается за счет механического прижатия индикаторов к панелям. Отдельные конструкции имеют ленточные выводы, обеспечивающие их распайку на платах. Широко распространены цифровые, буквенно-цифровые и мнемонические ЖК-индикаторы сегментного типа, аналогичные показанным на рис. 3.26. В них прозрачные электроды выполнены в виде сегментов а ж, от которых сделаны отдельные выводы. Непрозрачный электрод К изготавливают единым с одним выводом. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные электроды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона. Сочетание этих полос образует требуемую цифру, букву или знак. Меняя сегменты, подключенные к источнику напряжения, изменяют отображаемые цифры, буквы или мнемосхемы.

Известны также матричные конструкции, когда электроды на обеих сторонах выполнены в виде групп взаимно перпендикулярных линий, создающих матрицу. При подаче напряжения на горизонтальную и вертикальную линии изменение окраски наблюдается только на участке пересечения соответствующих линий, в котором электрическое поле между электродами имеет достаточно большую напряженность. Большое количество выводов затрудняет практическое применение матричных индикаторов. Поэтому их стараются выполнять в виде конструкции, имеющей внутреннюю электронную схему управления.

В качестве управляющего напряжения предпочитают использовать только переменное. При постоянном напряжении срок службы компонента снижается на порядок из-за миграции примесей на электроды и снижения контрастности изображения. Поэтому в технических условиях, указывая напряжение управления (несколько В), обычно оговаривают допустимое значение постоянной составляющей (50 170 мВ).

Рис. 3.26. Сегментный трехразрядный ЖК-индикатор, работающий на "отражение";
вид сверху
(а), снизу (б), условное обозначение (в): а, б, в, г, д, е, ж – прозрачные электроды; к – общий непрозрачный электрод

Часто используют так называемый фазовый метод управления, при котором на общий электрод на задней поверхности и электроды на передней подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой по фазе на 180° при возбуждении данного элемента и одинаковые по фазе, если данные элементы не должны иметь другой цвет.

При практическом использовании обычно требуется знать следующие параметры:

а) коэффициент контраста знака по отношению к фону

где LФ, LЗ – яркости фона и знака, ;

б) время реакции (время "включения");

в) время релаксации (время "выключения");

г) напряжение управления и ток (2 20 В, 1 100 мкА);

д) частоту управляющего напряжения (30 1000 Гц).

ЖК-индикаторы просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечивают хорошую контрастность изображения, которая не уменьшается при увеличении освещенности, хорошо совместимы с микросхемами управления.

Их недостатки: необходимость иметь подсветку при работе в темноте, узкий температурный диапазон (от – 20 до + 55 °С), изменение параметров в течение срока хранения и при работе. Область применения – экономичные устройства и системы с цифровым, буквенным, графическим или мнемоническим отражением информации.

3.5.2. Газонаполненные приборы для отображения информации

Газонаполненные приборы для отображения информации представляют собой источники излучения, зона свечения в которых имеет определенную форму и может управляться электрическими сигналами.

Используются газонаполненные источники света как постоянного, так и переменного токов (см. п. 3.2).

Выпускаются ЗСИ матричной конструкции, позволяющие проводить отображение графической, буквенно-цифровой и мнемонической информации. Определенное распространение получили буквенные и цифровые ЗСИ, в которых изображение получают с помощью комбинаций светящихся сегментов или целых цифр.

ЗСИ матричной конструкции имеют плоскую форму и состоят из двух стеклянных пластин, на которых выполнены наборы параллельных проводников, покрытых прозрачным диэлектриком. Пластины располагают на небольшом расстоянии друг от друга так, чтобы электроды были взаимно перпендикулярны. Камеру, образовавшуюся между ними, заполняют смесью неона и других инертных газов и герметизируют.

При определенных значениях электрического поля, создаваемого в местах пересечения электродов, происходит ионизация и свечение газа. Цвет его зависит от газового состава. Форма близка к точечной. Совокупность светящихся точек образует требуемые буквы, цифры, графики или мнемосхемы. Яркость свечения определяется значением питающего напряжения, его частотой, свойствами газа и диэлектрических покрытий электродов. Последний фактор обусловлен тем, что диэлектрическое покрытие создает "емкостную связь" между электродом и газом и при данном напряжении определяет максимальное значение разрядного тока.

Как показано в п. 3.2, газоразрядная светоизлучающая ячейка вследствие эффекта "памяти" может иметь два состояния (быть бистабильной) при одинаковом значении переменного напряжения на электродах. Наличие или отсутствие разряда обусловлено тем, подавался ли на интересующую ячейку импульс "записи", увеличивающий приложенное к ней напряжение, или не подавался, а также тем, подавался ли импульс "стирания", уменьшающий напряжение, приложенное к ячейке. Состояние ячеек поддерживается неизменным до появления сигналов, меняющих их. Поэтому излучение определенных точек при одновременной подаче на все электроды переменного напряжения поддержания заряда зависит от того, подавались или нет перед этим на соответствующие электроды (шины) импульсы записи или стирания.

Основной проблемой, возникающей при организации управления матричной панели, является селективный перевод ячеек в состояние разряд (вкл.)
отсутствие разряда (выкл.). Так, если напряжение одной из шин увеличить до напряжения возникновения разряда при неизменных значениях напряжения на ортогональных шинах, то включенными окажутся все точки, "находящиеся" в местах пересечения данной шины с ортогональными шинами. На экране будет видна светящаяся полоса.

Для выбора определенной точки обычно импульс записи подают одновременно на горизонтальную и вертикальную шины (рис. 3.26). Значения их берут в два раза меньше тех, которые необходимы для записи или стирания, так называемые импульсы полувыборки. В этом случае будут светиться точки, находящиеся на пересечении тех шин, в которых импульсы полувыборки UВР/2 имеют противоположные значения, и результирующая разность потенциалов превысит напряжение возникновения разряда. Аналогично импульсы полувыборки стирания уменьшают разность потенциалов до значения, обеспечивающего потухание, только в точках пересечения шин, на которые поданы эти импульсы.

 На рис. 3.27, а, б показаны некоторые из возможных вариантов изменения напряжений при записи, а на рис. 3.27, в, г  при стирании информации. Импульсы записи UЗАП и стирания UCT заштрихованы. Напряжение поддержания разряда формируется из двух последовательностей импульсов, подаваемых на вертикальные и горизонтальные шины и сдвинутых между собой по фазе. В результате между электродами обычно действуют напряжения, форма которых показана на рис. 3.28. Для увеличения яркости свечения время нарастания и спада напряжения поддержания разряда стремятся брать менее 1,0 мкс. Полное стирание производится кратковременным уменьшением поддерживающего напряжения UПР (обычно ниже 60 В), уменьшением длительности нескольких импульсов поддерживающего напряжения либо увеличением длительности их фронтов.

 

Основные параметры газонаполненных матричных панелей
переменного тока

1. Рабочее напряжение поддержания разряда (90 120 В) минимальное напряжение управляющего импульса записи (обычно дается при рабочем напряжении поддержания разряда 170 200 В).

2. Минимальное и максимальное значения управляющего импульса стирания (обычно даются при рабочем напряжении поддержания разряда 80 100 В).

3. Длительность фронта (0,1 0,3 мкс) и длительность импульса напряжения записи (3 5 мкс).

4. Длительность импульсов напряжения поддержания разряда (4 6 мкс).

5. Частота повторения импульсов напряжения поддержания разряда
(25
55 кГц).

6. Яркость свечения; разрешающая способность (элементов/см).

7. Цвет свечения.

8. Размеры информационного поля (мм).

В ряде конструкций с целью уменьшения времени запаздывания при возникновении разряда в индикаторных "точках" и стабилизации значения соответствующих напряжений в объеме газонаполненной камеры постоянно поддерживается разряд между определенными электродами (элементами рамки, обрамляющей рабочее поле). Благодаря ему создается повышенная концентрация заряженных частиц. Соответственно в параметрах указывают напряжение возникновения разряда в элементах рамки (200 220 В). Питание рамки обычно осуществляется от отдельного источника напряжения.

Газонаполненные ЗСИ постоянного тока отличаются от ЗСИ переменного тока тем, что у них электроды находятся в непосредственном контакте с газовой средой и без принятия специальных мер у ячеек отсутствует память о предыдущем состоянии. Конструктивно они сложнее, чем ЗСИ переменного тока. Однако на их основе удается создать более эффективные цветные ЗСИ, особенно в тех случаях, когда используются возбуждаемые ультрафиолетовым излучением люминофоры.

Простейшие ЗСИ постоянного тока выполняют сегментной конструкции (рис. 3.29, а). В них используется свойство тлеющего разряда с областью прикатодного свечения повторять контуры катода. Обычно катоды всех разрядов выполняют в виде сегментов, расположенных в форме восьмерки (рис. 3.29, б). Одноименные сегменты всех разрядов электрически соединяют между собой. Над каждым знаком имеется индивидуальный анод. Такое конструктивное решение упрощает организацию управления. Оно осуществляется следующим образом.

Катоды сегменты первого разряда, сочетание которых образует нужный знак, подключают к минусовому концу источника питания. Анод этого разряда соединяют с плюсовым выводом этого же источника. Если приложенное напряжение Ua окажется больше напряжения возникновения разряда, то около соответствующих сегментов появляется световое излучение (п. 3.2). Так как при этом падение напряжения на газовом промежутке уменьшается, в цепь каждого катода должен быть включен резистор, на котором падает напряжение, равное разности между потенциалами возникновения разряда и его поддержания. Таким образом высвечивается цифра первого разряда. В следующий момент времени изменяются сегменты, подключенные к источнику питания, и меняется анод, соединенный с плюсовой шиной. Высвечивается цифра следующего разряда и т. д. У таких ЗСИ количество выводов катодов равно количеству сегментов, а выводов анодов количеству разрядов. Частота переключения напряжений порядка 100 700 Гц. В результате глаз человека воспринимает все разряды светящимися и не замечает их мерцания. Яркость свечения, а при наличии люминофоров и его цвет почти линейно зависят от тока разряда и при неизменном значении резистора в цепи катода могут быть изменены варьированием напряжения.

Рис. 3.29. Многоразрядный газонаполненный ЗСИ (а); расположение катодов и анода
в одном разряде
(б), условное обозначение (в)

В ряде ЗСИ постоянного тока для упрощения управления часто применяют самосканирование. Сущность его поясняет рис. 3.30, а. Элементарная ячейка ЗСИ имеет анод индикации 1 и сканирования 4. Вместе с катодами 3 (рис. 3.30, б) и диэлектрической прокладкой 2 они образуют сообщающиеся между собой разрядные камеры. Причем камеры сканирующей стороны, образованные катодами К0 К6, сообщаются между собой.

Первоначально разряд зажигается на сканирующей стороне катода К0. Для этого на него подают импульс отрицательной полярности (разность потенциалов между анодом сканирования и К0 порядка 250 В). В это время потенциалы других катодов положительны, так как на них подано напряжение смещения порядка 100 В.

Рис. 3.30. Схематическое изображение самосканирующейся ячейки (а) и ее упрощенная
конструкция (б):
1 анод индикации; 2 – диэлектрическая прокладка; 3 катод;
4 – анод сканирования

В процессе тлеющего разряда появляются ионы, понижающие напряжение возникновения разряда между анодом индикации 1 и К2, а также в расположенной рядом и сообщающейся каналом соседней камере сканирования с катодом К1. Если теперь на К0 подать напряжение смещения, на К1 отрицательный импульс той же амплитуды, то разряд переместится на катод К1. При этом катод К4 имеет тот же потенциал, что и К1, но разряда в нем не произойдет, так как он расположен дальше от камеры, в которой происходила разрядка, и концентрации носителей заряда в нем недостаточно для возникновения разрядки. Камера с катодом К1 сообщается также с камерой с катодом К2. Разряд на катоде К1 подготавливает разряд на катоде К2 и т. д. Таким образом осуществляется перенос заряда в заданном направлении.

Если на аноды индикации подать напряжение, значение которого меньше напряжения возникновения разряда у "невозбужденного" газового "промежутка", последний все равно возникнет, так как он подготовлен разрядом, горящим в ячейке сканирования. В неподготовленной ячейке он не возникает. При переходе разряда в следующую камеру разряд в ячейки индикации затухает. Причем если при сканировании заряд проходит через все камеры, то, управляя напряжением анода индикации, можно обеспечить свечение только требуемых значений.

В цепи анодов обычно включают резисторы, обеспечивающие компенсацию скачков напряжения, обусловленных разностью потенциалов возникновения разряда и горения.

Кроме параметров, определяющих характеристики оптического изображения, для данных приборов основными являются: напряжение возникновения разряда (150 200 В); напряжение поддержания разряда (100 170 В); ток индикации сегмента (десятки микроампер).

Недостатки рассмотренных газонаполненных приборов отображения информации значительные напряжения и мощности управляющих сигналов. Для устранения этого между анодом и катодом вводят дополнительные управляющие сетки, которые при напряжениях анод-катод 200 400 В позволяют уменьшить управляющие сигналы до нескольких единиц – десятков вольт.

Примером такого решения является матричный ЗСИ (рис. 3.31, а, б). В нем кроме анодов и катода имеются три сетки 1, 2, 3. Две сетки выполнены из ортогонально расположенных электродов 2, 3 и находятся рядом с катодом. Третья сетка 1 расположена между анодом и сетками 2, 3, на которые подается положительный потенциал, а на сетку 1 отрицательный. Эти потенциалы резко увеличивают напряжение возникновения разряда. Последнее обусловлено тем, что электроны, эмиттируемые катодом, попадают на положительно заряженные сетки 2, 3, находящиеся вблизи него. Ввиду малого расстояния, которое они проходят, и небольшой приобретенной скорости, ионизация ими газа невелика. Отрицательный заряд сетки 1 создает около катода отрицательный градиент электрического поля, дополнительно препятствующий движению электронов к анодам. Для зажигания разряда в ячейках цилиндрической формы (рис. 3.31, б) необходимо уменьшить положительный потенциал сеток 2, 3 и уменьшить по модулю отрицательный потенциал сетки 1.

Рис. 3.31. Условное обозначение (а) и излучающая сторона конструкции (б) матричного ЗСИ постоянного тока: A1, А2 первый и второй аноды; 1, 2, 3 третья, вторая, первая сетки;
4 катод

В тех ячейках, в которых потенциал сеток 2, 3 соответствует открытому состоянию, возникнет разряд и появится свечение. Так же, как в предыдущем случае, в приборе создается подготовительный разряд, ток которого составляет 0,5  2 мА. Подготовительный разряд стабилизирует значения параметров управляющих сигналов. Для подобных приборов дополнительно указывают параметры: напряжение отпирающее статическое или импульсное первой и второй сеток 10 В, третьей сетки примерно 10 В; напряжение на сетках, соответствующее закрытому состоянию первой, второй и третьей сеток, 11,6 14,0 В. Стирание записанной информации рекомендуется проводить одновременно, уменьшая потенциалы обоих анодов.

В настоящее время разработано большое количество газонаполненных приборов, в том числе и цветных, которые позволяют успешно решать задачу отображения информации в устройствах индивидуального пользования.

3.5.3. Вакуумные приборы для отображения информации

Для отображения информации применяют вакуумные накаливаемые ЗСИ и приборы, основанные на использовании низковольтной и высоковольтной катодолюминесценции.

Накаливаемые ЗСИ по принципу действия аналогичны лампам накаливания. В них элементы отображения (знаки или сегменты) выполнены в виде нитей или тонких пленок, нагреваемых электрическим током до температуры 1400 °С. Питание накаливаемых ЗСИ осуществляют напряжением 3 5 В, подаваемым на те нити, которые должны светиться. В связи со сравнительно небольшой температурой элементов, обеспечивающих отображение информации, они имеют большой срок службы и стабильные значения параметров излучения. Кроме того, эти ЗСИ просты по конструкции и имеют малую стоимость.

Условное графическое обозначение сегментного накаливающего ЗСИ
типа ИВ-16 (рис. 3.32,
а) показано на рис. 3.32, б.

Низковольтная вакуумная катодная люминесценция по механизму действия практически не отличается от высоковольтной и носит рекомбинационный характер. Сущность катодной люминесценции заключается в том, что люминофор бомбардируется электронами, которые "возбуждают" его и приводят к нарушению термодинамического равновесия. Появляются электроны, энергия которых больше энергии дна зоны проводимости, и дырки, имеющие энергию, меньшую потолка валентной зоны. В связи с неустойчивостью неравновесного состояния электроны и дырки через некоторое время (время жизни) рекомбинируют между собой, излучая фотоны, причем при непосредственной межзонной рекомбинации свечение наблюдается практически только при облучении электронами. При его прекращении время послесвечения мало. Если рекомбинация идет через ловушки, которые временно захватывают электроны и дырки, то через некоторое время носители заряда могут вернуться на свои места. В этом случае время послесвечения увеличивается и может достигнуть сравнительно больших значений. Низковольтная и высоковольтная люминесценции различаются в основном типами люминофоров и глубиной проникновения в кристалл бомбардирующих электронов. При низковольтной катодолюминесценции используют малые напряжения (единицы десятки вольт), ускоряющие электроны, осуществляющие бомбардировку люминофора.

Рис. 3.32. Сегментный накаливаемый вакуумный ЗСИ (а)
и его условное обозначение
(б)

Энергия электронов мала, и глубина их проникновения в кристалл составляет сотые тысячные доли микрометра. Поэтому в создании свечения участвуют поверхностные слои и для достижения высоких яркостей требуется обеспечить на 2 4 порядка большие плотности тока по сравнению с высоковольтной катодолюминесцентной. Кроме того, падающие электроны имеют электрический заряд. При высоковольтной катодолюминесценции они выбивают из люминофора вторичные электроны и его результирующий заряд обычно изменяется незначительно. При низковольтной число вторичных электронов невелико по сравнению с количеством падающих, поэтому приходится создавать токопроводящие элементы, отводящие носители заряда. Их роль выполняют аноды, на которые наносят люминофор.

В вакуумных ЗСИ используется только низковольтная катодолюминесценция. Конструктивно эти приборы выполняют в баллоне круглой или плоской формы, в котором с помощью газопоглотителя, помещенного внутри баллона (геттера), поддерживается высокий вакуум. Внутри баллона имеются катод, аноды и сетка. Аноды выполняют в форме сегментов или "точек" (в матричном ЗСИ). На них нанесен люминофор. В двухцветных приборах (обычно матричного типа) на соседние аноды наносят разные люминофоры, обеспечивающие свечение разного цвета. В трехцветных на три соседних анода наносятся люминофоры трех цветов. Комбинация трех цветов свечения при определенных яркостях соответствующих источников излучения позволяет получить любой цвет свечения.

Перед анодом располагается сетка, имеющая мелкоячеистую структуру с тонкими токонесущими элементами. В многоразрядных вакуумных ЗСИ каждый разряд часто имеет свою сетку. С одной стороны, она расширяет возможности управления, обеспечивая включение или выключение определенного разряда, с другой при наличии излучения обеспечивает равномерность распределения электронов по всей поверхности бомбардируемых анодов. Обычно используется оксидный катод прямого подогрева, выполненный в виде нитей, размещаемых перед сеткой, которые нагреваются проходящим через них током накала. Ток накала берут таким, чтобы катод нагревался до температуры 700 °С, что обеспечивает малое собственное излучение, высокую механическую прочность и в то же время достаточно хорошие эмиссионные способности. Поэтому накаленные нити катода, находящиеся между анодом и оператором, воспринимающим информацию, практически не видны. Так же трудно различима и сетка. Упрощенная конструкция пятиразрядного цифрового индикатора и его условное изображение для случая, когда аноды разрядов соединены между собой, показаны на рис. 3.33, а, б.

 

Рис. 3.33. Вакуумный пятиразрядный цифровой ЗСИ (а), его условное обозначение (б),
схема движения электронов (в): А1  А7 – аноды сегментов разрядов;
С1 С5 – сетки разрядов; К – катод прямого подогрева

Для включения вакуумного ЗСИ необходимо подключить напряжение накала к выводам К К катода и подавать на анод и сетку положительный потенциал. Тогда эмиттируемые катодом электроны ускоряются электрическим полем сетки, проскакивают ее и падают на анод, потенциал которого обычно равен потенциалу сетки (рис. 3.33, в). Это приводит к возбуждению нанесенного на него люминофора и возникновению свечения. Управление свечением осуществляется либо отключением напряжения анода сегмента (при этом следует помнить, что свечение наблюдается даже при уменьшении напряжения на нем до 2,5 3 В), либо подачей на сетку отрицательного относительного катода напряжения (от 2 до 3 В), которое "отталкивает" электроны и препятствует их прохождению к аноду. Для питания анодов и сеток можно использовать источники постоянного или импульсного напряжения.

В многоразрядных ЗСИ одноименные сегменты разрядов обычно объединены. Управление осуществляется в динамическом режиме, когда в определенные моменты времени требуемые импульсы напряжения подаются одновременно на определенные сетку и аноды сегменты. В итоге в один момент времени светится одно знакоместо, а в другой другое. Это уменьшает количество выводов управления и энергопотребление. У одноразрядных ЗСИ иногда используют статическое управление, когда на соответствующие электроды подаются постоянные напряжения.

Матричные ЗСИ, в том числе и цветные, работают аналогично рассмотренному и отличаются в основном схемами управления, например ИЛВ1-5х7Л и др., причем изменением параметров напряжения на соседних анодах, покрытых разным люминофором, можно менять цвет излучения знакоместа.

Шкальные ЗСИ, например ИВЛШ-11/2, в которых меняется длина светящейся линии, состоящей из отдельных светящихся участков, являются простейшей разновидностью матричных ЗСИ.

Основные параметры вакуумных ЗСИ (кроме характеризующих параметры отображения): напряжение накала ( 5 В), ток накала (20 300 мА), напряжение анода сегмента (20 70 В); напряжение сетки (20 70 В); ток анода сегмента
(1 3 мА); ток сетки (1 3 мА).

Преимущества вакуумных ЗСИ: высокая яркость свечения, многоцветность, сравнительно небольшое энергопотребление, большое быстродействие. Недостатки: необходимость иметь три источника питания (накала, сетки, анода); хрупкость конструкции, свойственная вакуумным приборам.

3.5.4. Полупроводниковые и электролюминесцентные приборы
для отображения информации

Полупроводниковые приборы, предназначенные для отображения информации, основаны на использовании свойств светоизлучающего p-n-перехода. Это приборы, в которых требуемая конфигурация свечения обеспечивается за счет выполнения соответствующих участков в виде единого p-n-перехода (набора p-n-переходов). Часть эффекта свечения зоны обеспечивается за счет отражения света от специально созданных отражающих поверхностей. С точки зрения потребителя готовых компонентов полупроводниковые ЗСИ представляют собой группу полупроводниковых светодиодов, включение которых в электрическую цепь позволяет получить свечение отдельных областей.

Промышленностью выпускаются отдельные светодиоды (индикаторы единичные), с помощью которых можно высветить точку; сегментные ЗСИ (индикаторы цифровые, буквенно-цифровые), с помощью которых можно высветить требуемую букву или цифру; матричные ЗСИ (индикаторы графические), обеспечивающие высвечивание цифр, букв, символов, графиков; механические ЗСИ, с помощью которых получают светящиеся мнемосхемы. Цвет свечения обычно красный или зеленый. Возможно создание ЗСИ с изменяющимся цветом свечения.

В сегментных ЗСИ каждый сегмент выполнен в виде отдельного светодиода (рис. 3.34, а). В одноразрядных на корпус выведены выводы всех сегментов (рис. 3.34, б). В многоразрядных ЗСИ одноименные сегменты всех разрядов обычно электрически соединены между собой. Индикация осуществляется в динамическом режиме, в котором последовательно высвечивается каждый разряд. Для этого к электрической цепи последовательно подключаются катоды светодиодов, общие для отдельного разряда, и на высвечиваемые сегменты подается электрическое напряжение.

Рис. 3.34. Семисегментный одноразрядный полупроводниковый ЗСИ (а); его условное
обозначение
(б); соединение выводов сегментов в многоразрядном индикаторе (в);
обозначение матричного ЗСИ (г)

Для ограничения тока последовательно со светодиодом часто включают резистор, значение которого определяется из уравнения

где UП  напряжение питания; UД, IД  соответственно прямое падение напряжения и средний ток светодиода.

В матричном ЗСИ высвечивание определенного элемента осуществляется при приложении электрического напряжения к шинам соответствующих строки и столбца.

Падение напряжения на светящемся элементе 1,5 2,5 В, ток сегмента
2
10 мА. При динамическом управлении, когда каждый элемент высвечивается на малый промежуток времени, потребляемая мощность существенно уменьшается.

Преимущества полупроводниковых ЗСИ: высокое быстродействие, надежность и долговечность; хорошая устойчивость к механическим воздействиям; малые габариты и масса; возможность регулировки яркости и цвета электрическим путем. Недостатки: повышенные энергопотребление и стоимость.

В электролюминесцентных ЗСИ используется свечение, возникающее в люминофорах, помещенных в сильное электрическое поле. Конструктивно они представляют собой группу конденсаторов, у которых одна из обкладок выполнена прозрачной, а другая непрозрачной. Между обкладками помещен люминофор. При приложении электрического напряжения к обкладкам люминофор начинает светиться. Если один из электродов (прозрачный) выполнить определенной формы, то зона свечения люминофора повторит ее. Совокупность светящихся участков создает требуемое изображение. Цвет свечения зависит от состава люминофора. Конфигурация излучающих сегментов, элементов и организация их управления в принципе не отличаются от полупроводниковых ЗСИ. Однако при их применении следует учитывать, что управляющим сигналом является напряжение. Яркость свечения зависит от его значения и частоты изменения. Для источника питания электролюминесцентный ЗСИ представляет собой конденсатор с потерями. Полная мощность, потребляемая им,

где U действующее значение приложенного напряжения; IR, Ix – соответственно активная и емкостная составляющие тока.

При эксплуатации напряжение питания выбирают исходя из требуемой яркости. В большинстве случаев применяют приборы, питаемые переменным напряжением 160 250 В, частотой 300 4000 Гц, потребляющие мощность в сотые десятые доли ватта, обеспечивающие яркость 20 65 кд/м2.

Преимущества люминесцентных ЗСИ: возможность создания информационных полей большой площади; равномерность яркости свечения элементов; возможность создания многоцветных приборов; малая потребляемая мощность; возможность регулировки яркости электрическим путем; отсутствие разогрева во время работы; механическая прочность. Недостатки: высокое напряжение и частота источника питания, снижение яркости в процессе работы.


3.6. Контрольные вопросы

1. Что Вы понимаете под термином "оптоэлектронный прибор"? Какие оптоэлектронные приборы Вам известны?

2. Что Вы понимаете под термином "управляемый источник света"? На каких физических эффектах реализуются управляемые источники света?

3. В каких управляемых источниках света используется температурное свечение? Поясните физический принцип действия таких источников света.

4. Поясните физический принцип действия газоразрядных источников излучения. Какие газоразрядные источники света Вам известны?

5. В чем Вы видите основные достоинства и недостатки ламп накаливания и газоразрядных приборов как управляемых источников света?

6. Что Вы понимаете под термином "люминесценция"? Какие виды фотолюминесценции Вам известны? Дайте краткую характеристику каждому из них.

7. В чем Вы видите основные достоинства и недостатки электролюминесцентных источников света?

8. Что собой представляют электролюминесцентные конденсаторы? Поясните физический принцип действия электролюминесцентного конденсатора.

9. В чем заключаются основные достоинства и недостатки электролюминесцентных конденсаторов?

10. Что собой представляют инжекционные светодиоды? Поясните физический принцип действия инжекционного светодиода.

11. В чем заключаются основные достоинства и недостатки инжекционного светодиода?

12. Какие основные параметры и характеристики инжекционных светодиодов Вам известны?

13. Каким образом достигается изменение цвета свечения инжекционного светодиода?

14. Какие виды фотоприемников Вам известны? Дайте краткую характеристику каждому из них.

15. Поясните физический принцип действия фоторезистора.

16. Какие основные параметры и характеристики фоторезисторов Вам известны?

17. Поясните физический принцип действия фотодиода. Какие режимы работы фотодиода Вам известны? Какой из этих режимов Вы считаете основным в фотоприемнике?

18. Какие основные параметры и характеристики фотодиодов Вам известны?

19. Что такое лавинный фотодиод? Поясните физический принцип действия лавинного фотодиода.

20. Что собой представляет фототранзистор? Какие виды фототранзисторов Вам известны? Поясните физический принцип действия биполярного фототранзистора.

21. Что собой представляет фототранзистор? Какие виды фототранзисторов Вам известны? Поясните физический принцип действия полевого фототранзистора.

22. Какие основные параметры и характеристики фототранзисторов Вам известны?

23. Поясните физический принцип действия фототиристора.

24. Что собой представляют фотоприемники с внешним фотоэффектом? Поясните физический принцип действия таких фотоприемников.

25. Что Вы понимаете под термином "оптрон"? Какие виды оптронов Вам известны? Проведите сравнительную характеристику известных Вам оптронов.

26. Какие виды полупроводниковых индикаторов Вам известны? Поясните основные особенности каждого из этих видов.

27. Какие виды газонаполненных индикаторов Вам известны? Поясните основные особенности каждого из этих видов.

28. Какие виды электролюминесцентных индикаторов Вам известны? Поясните основные особенности каждого из этих видов.

29. Какие виды жидкокристаллических индикаторов Вам известны? Поясните основные особенности каждого из этих видов. Какие известные Вам физические эффекты положены в основу работы жидкокристаллических индикаторов?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев В.Г. Электроника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. – М.: Высшая школа, 1991.

2. Быстров Ю.А. Электронные приборы для отображения информации / Ю.А. Быстров, И.И. Литвак, Г.М. Перманов. – М.: Радио и связь, 1985.

3. Ксенов А.И. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы / А.И. Ксенов, А.В. Нефедов. – М.: Радио и связь, 1995.

4. Кликушин Ю.Н. Электроника в приборостроении: учеб. пособие /  
Ю.Н. Кл
икушин, А.В. Михайлов, И.Л. Захаров. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.

5. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: справочное руководство: [пер. с нем.] / У. Титце, К. Шенк.  – М.: Мир, 1982.

6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах / В.С. Гутников. – 2-е изд. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.

7. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: [пер. с англ.] / C. Cоклоф. – М.: Мир, 1988.

8. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.Ю. Юшин. – М.: Энергоатомиздат, 1989.


а)

Рис. 2.42. Распределение носителей заряда в приповерхностном слое

Рис. 3.24. Расположение молекул

вблизи границ при твист-эффекте:

а – при отсутствии и б – наличии
электрического поля

Рис. 3.25. Конструкция ЖК-индикаторов,
работающих на просвет (а) и отражение (б):
1,3 – стеклянные пластины; 2 – склеивающее соединение; 4 – прозрачные электроды;
5 – ЖК; 6 – непрозрачный электрод

а)

Рис. 3.27. Диаграммы напряжений
в режимах:
а, б  записи; в, г стирания

Рис. 3.28. Напряжения поддержания разряда

Рис. 3.28. Напряжения поддержания разряда (а — в)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49769. Процесс воспитания в современной школе: позитивные и негативные стороны 132.5 KB
  В практической части работы я отображаю и полностью раскрываю такие понятия как «воспитание», «воспитательная система», говорю об их особенностях и спецификах, подходе и структуре. Раскрываю все негативные и позитивные стороны воспитательной системы и доказываю, что позитивных больше чем негативных черт
49770. Монтаж строительных конструкций при возведении одноэтажного здания 806.5 KB
  Определение технологических параметров монтажа сборных конструкций и подбор монтажных кранов. Выполнение курсового проекта по монтажу строительных конструкций имеет целью закрепление полученных теоретических знаний в области строительного производства расширение их путем самостоятельной работы с нормативно-справочной литературой а также ознакомление с существующей методикой разработки проектов производства строительно-монтажных работ. Курсовой проект по монтажу строительных конструкций представляет собой комплекс технологических чертежей...
49772. ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ 1.5 MB
  Как многие редкие элементы открыты цирконий и гафний довольно поздно. Так в 1789 г. член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал цирконовой землей. Происхождение этого названия объясняют по-разному.
49774. Программа для имитационного моделирования системы массового обслуживания 1.7 MB
  В системе интервалы времени между поступлением требований являются независимыми случайными величинами со средним временем 0. которое участвует при генерировании массива содержащего все периоды времени между поступлениями требований. является случайной величиной некоррелированной с интервалами поступления требований. Оценке подлежат следующие параметры: коэффициент использования системы ρ; средняя задержка в очереди d; среднее время ожидания w; среднее по времени число требований в очереди Q; среднее по времени число требований...
49775. Циклическаю система массового обслуживания с квантами 1.29 MB
  Емкость накопителя требований r равна 44 дисциплина обслуживания – циклическая с квантом q = 5 секунд. В системе интервалы времени между поступлениями требований являются независимыми случайными величинами со средним временем = 20 секунд. Время обслуживания является случайной величиной некоррелированной с интервалами поступления требований. Среднее значение обслуживания требований – = 50 секундам.
49776. Выпрямительный агрегат ПВЭ -5А-У1 286.9 KB
  Преобразователь выпрямительный типа ПВЭ-5А-У1 наружной установки, предназначен для преобразования переменного тока в выпрямленный, и питания контактной сети электрифицированных железных дорог.
49777. Факторный анализ для выяснения влияний факторов на отклики и выведения уравнений регрессии 1.54 MB
  Поток событий ПС называется последовательность событий происходящих последовательно в случайные моменты времени. Такую модель можно проиграть во времени как для одного испытания так и заданного их множества. В нашем случае необходимо изучить систему массового со следующими параметрами: средний интервал времени между поступлениями требований равен 10 секунд среднее время обработки требования равно 25 секунд количество обрабатывающих устройств равно 5 дисциплина обслуживания – FIFO. В системе интервалы времени между поступлениями...